Эксплуатация туннелей подземных ГЭС

Строительство гидротехнических сооружений практически всегда было связано со строительством под землей и, в частности, в горной массе. Основные принципы строительства ГЭС и ГАЭС довольно сильно изменились с военного времени. Если сейчас должны учитываться экологические, геологические, топографические и даже климатические условия, то в военное время технико-экономический показатель и оборонная способность были куда важнее. В самом деле, строительство сооружений под землей имеет огромное количество плюсов, начиная от меньшей площади отводимых земель и отсутствием необходимости изменения ландшафта и заканчивая большей экологичностью сооружений. При этом такое строительство практически не оказывает влияния на режим поверхностных и подземных вод. Также к преимуществам подземного строительства следует отнести максимальное использование несущей способности грунтовой массы из-за передачи на них нагрузки воды в напорных сооружениях. Это позволяет сильно снизить материалоемкость конструкции.

Подземные гидроэлектростанции являются наиболее сложными в проектировании и в строительстве по сравнению с другими сооружениями. Одним из важнейших элементов любой гидростанции является туннель, который больше всего подвержен различным повреждениям.

Все повреждения можно разделить на три группы, по вероятности появления:

1.  Первая группа – это повреждения, вызванные несоответствием условий работы сооружений с проектами рабочих схем, недостатком несущей способности обделки и так далее.

2.  Вторая группа – это повреждения технологического характера: нарушение строительных норм, низкое качество бетона, несоблюдение правил укладки бетона и уходом за ним, несоответствие нормам монтажа опалубки и арматуры и так далее.

3.  Третья группа – это несоблюдение качественного контроля за строительными работами.

Наибольший процент выявленных причин появления повреждений составляет первая группа (43%).

В обследовании туннелей ГЭС большую роль играет нарушение поверхности обделки. Во многих случаях фиксируются трещины. В исследовании трещинообразования туннелей все трещины можно разделить на четыре вида:

1.  В большинстве случаев в туннелях появляются трещины из-за несоответствия расчетной схемы, наблюдается раскрытие швов вследствие неупругой работы пород. Возникает фильтрация с выносом извести из бетона или цементного раствора.

2.  Некоторые виды трещин образуются в результате оставшихся заобделочных пустот вдоль шелыге свода в монолитном бетоне.

3.  Образование трещин по технологическим швам.

4.  Кольцевые, совпадающие с границами между отдельными кольцами.

Из выше указанного следует, что трещинообразование является одним из наиболее распространенных повреждений туннелей. Они могут привести к осложнениям, ухудшающим эксплуатацию гидроузлов и требующим экстренные меры, которые могут вызвать большие затраты в ремонтных работах.

Также причиной трещинообразования в обделках туннелей может быть появление неравномерного горного давления по периметру и некоторые неучтенные нагрузки, влияющие на деформации. Такая проблема была в Вахш-Яванском туннеле, где обделка начала значительно разрушаться. При обследовании были обнаружены разного вида трещины, выпучивание лотка и фильтрация через трещины. Это явилось последствиями горного давления, развивающегося на некоторых участках туннеля, проходящего в аргиллитах с прослойками известняков и песчаников различных свойств.

Анизотропия скальных пород, вызывает неравномерно распределение микротрещин по контуру уже при малых нагрузках. В будущем эта неравномерность возрастет, при этом образуются наиболее крупные трещины, раскрытие которых может превышать допустимые значения. Так, например, причиной аварии в туннеле ГЭС Студен Кладенец (Болгария) явилась анизотропия скального массива, в котором вертикальные деформации в 2 раза превышали горизонтальные. Эти деформации не были учтены в проекте при назначении коэффициента упругого отпора скалы.

Еще одним фактором, влияющим на трещинообразование обделки в период строительства и эксплуатации, является температурные деформации, вызванные высокой экзотермией при укладке бетона. При твердении свежеуложенного бетона температура повышается до 40°С и в обделке монолитных конструкций могут развиваться большие растягивающие деформации.

Другая группа причин, вызывающих трещинообразование в обделках, обусловлена нарушениями режима эксплуатации. Недостаточной прочностью обладали некоторые участки туннеля на Владивостокской ТЭЦ-2, в которых возникший гидравлический удар вызвал появление трещин разного вида с раскрытием 6 мм и длинной порядка 15 м железобетонной обделки.

Иногда в строительстве возникают перерывы на неопределенное время, используют разные по прочности и свойствам бетон, неравномерно уплотняется бетонная смесь. Такие факторы приводят к ненадежному сцеплению старого бетона с новым, в результате чего появляются трещины в стыках, и туннель не работает как одна полноценная конструкция.

Также недостаточность строительных работ может привести к повреждению. Появляются некоторые виды деформаций: пустоты, вымоины, ямы, шероховатость бетона и так далее. В местах появления шероховатости бетонной поверхности приводило к увеличению гидравлических потерь и снижению пропускной способности на 10–20%. Такие показателя являются причиной несоблюдения норм укладки бетона и его опалубливания. Особое внимание должно уделяться бетонированию. Опалубка должна плотно прилегать к бетону, чтобы исключить появление скопления воды в зоне контакта опалубки и бетона. По такой причине могут ухудшиться свойства бетона.

Бетон является неоднородным материалом, и в большинстве случаев поверхность изнашивается из-за механических повреждений насосов, коррозии бетона, вымывания. Мелкие частицы цементного камня с течением времени вымываются, поверхность получается более шероховатой и обделка теряет нужную прочность. Нередко повреждение обделки подземного туннеля вызваны коррозией бетона. На поверхности появляются белые пятна, подтеки, образуются кристаллы. Такие повреждения вызваны некачественным бетонированием поверхности и в строительных швах.

Рассмотренные повреждения обделок подземных туннелей показывают, что практически во всех случаях причиной является недобросовестное выполнение строительных работ. Некоторые туннели вводят в эксплуатацию с незаконченными работами. В некоторых ГЭС обнаруживаются незабетонированные участки с оголенной арматурой. Иногда используют материалы, которые не соответствуют проектным документам, что также приводит к повреждениям. Так было на Вахш-Яванской ГЭС, когда вместо сульфатостойкого был применен обычный цемент. Поэтому строители должны осознанно подходить к таким проблемам, как качественное строительство туннелей подземных ГЭС, ибо большие повреждения будут вызывать много поломок и дополнительных работ.