Техногенный объект – это объект, созданный человеком в процессе производственно-хозяйственной деятельности. Такие объекты могут быть потенциальным источником катастроф, характеризующихся нанесением ущерба социальной, экономической, экологической и природной среде. Поэтому необходимо учитывать все эти разнообразные факторы, чтобы прогнозировать тенденции деформации объекта или его отдельных элементов и принимать меры по обеспечению его функционирования в соответствии с техническими условиями. В современную эпоху, когда существует постоянный риск возникновения чрезвычайных ситуаций, обеспечение безопасности техногенных промышленных объектов в связи со значительными негативными социально-экономическими и экологическими последствиями имеет первостепенное значение для государства. Плотины находятся под длительным воздействием сложных природных геологических условий и различных внешних сил, поэтому условия эксплуатации плотин постоянно меняются. Крупное сооружение плотины водохранилища часто требует долгосрочного мониторинга устойчивости, а также постоянного контроля безопасности [1].
В настоящее время необходимо исследовать устойчивость гидроэлектростанции Рвегура в связи с колебаниями климатических условий. В Восточной Африке наводнения – обычное явление в сезон дождей, что может привести к повышению уровня воды в водохранилище или уровня грунтовых вод. Увеличение выработки электроэнергии в этот период представляет значительный риск для структурной целостности объекта и всего человеческого сообщества. Речная долина подвержена оползням, особенно в нижнем течении, где у подножия оползня происходит речная эрозия. Кроме того, сезонное насыщение почвы влагой способствует ускорению оползней. Ускорение этих процессов (из-за повышения уровня грунтовых вод, возможно, вследствие сейсмических толчков и трещин в грунте, обеспечивающих быструю инфильтрацию поверхностных вод) неизбежно приведет к усилению движения почвы и образованию оползней в районе плотины, за которой может образоваться большое озеро. Следовательно, анализ деформационных процессов на плотине очень важен по нескольким причинам, например, для мониторинга безопасности, поскольку он помогает следить за целостностью конструкции и безопасностью плотины. Кроме того, анализ деформаций дает представление о поведении плотины при различных нагрузках и условиях окружающей среды и помогает лучше понять, как плотина реагирует на такие факторы, как водная нагрузка, гидравлические градиенты, эрозия и насыщение [2–4].
Методология мониторинга плотины должна быть определена в ходе разработки проекта. В ходе строительства устанавливаются многочисленные приборы для мониторинга деформаций. Однако мониторинг и наблюдение за плотиной должны продолжаться и после завершения строительства. Некоторые устройства необходимо будет демонтировать и заменить новыми [5]. Для контроля параметров во времени используются наблюдения за пьезометрами, притоком фильтрационных вод и датчиками, измеряющими изменения порового давления и давления на почву.
Материалы и методы исследования
Объект исследования. Плотина Рвегура была построена в долине р. Гитенге и Мвокора, расположена между тремя провинциями: Каянза (община Мурута), Бубанза (община Мусигати) и Чибитоке (община Букинаньяна). Место было выбрано благодаря большой площади водосбора, большому количеству осадков и устойчивости к сдвигам грунта, благодаря наличию скальных пород в этом районе. Размеры плотины следующие: длина 220 м, высота 47 м, ширина 6 м. Расход воды составляет 8 м3/c, а общая площадь поверхности – 2,6 км2. Максимальный уровень водохранилища в период исключительных паводков составляет 2153,50 м, а минимальный уровень водохранилища ниже по течению – 2140,50 м [6].
Процесс выбора периода измерений включает снятие показаний с 27 пьезометрических точек, расположенных по обеим сторонам плотины Рвегура, за 26 лет, с 1992 по 2018 г. Показания снимаются с верхней стороны плотины, которая обращена к водоему, а измерения проводятся с нижней стороны, с которой вода стекает обратно в реку Китенге.
В году есть два сезона дождей и два сухих сезона. Первый короткий сезон дождей длится с сентября по октябрь, а длинный сезон дождей – с февраля по середину мая. На изменение пьезометрических данных во времени влияет режим осадков. Режим осадков уменьшается с середины мая до начала октября, формируя сухой сезон.
Кроме того, распределение осадков по территории страны неравномерно: в южных и северных регионах оно отличается. Годовое количество осадков составляет от 1200 до 1700 мм. В центральном регионе страны среднегодовая температура составляет около 20°C. На самых высоких горных вершинах средняя температура составляет около 16°C. Среднемесячная температура на равнинах колеблется от 16 до 22°C. Климат в районе оз. Танганьика и р. Рузизи классифицируется как теплый экваториальный, в то время как в других регионах страны климат континентальный и мягкий.
Объем внутренних подземных вод остается относительно стабильным и составляет около 7 млрд м3 в год. В стране наблюдается долгосрочное среднегодовое пополнение подземных вод за счет осадков. Возобновляемые ресурсы подземных вод в стране рассчитываются двумя способами. В засушливых странах оценивается годовая скорость инфильтрации. Во влажных странах рассчитывается донный речной сток.
Геологическое строение правого и левого участков плотины Рвегура заметно отличается. Геологическая карта Бурунди указывает на наличие гранитной породы с разломами по обеим сторонам водохранилища – геологическая особенность, характерная для Бурундийской супергруппы (эквивалент хребта Кибари). Разломы могли способствовать утечке воды из плотины. Учитывая тектоническую нестабильность региона, также возможно, что трещины и разломы в гранитной породе могли негативно повлиять на срок службы плотины. Гидрогеологическое и геотехническое исследование позволило бы точно определить источник разлива и подтвердить его точное местоположение на правом берегу. На этом берегу породы представлены формацией Нгози (Ng) и формацией Мигого (Mo).
Формация Нгози представляет собой преимущественно перлитовый массив с вкраплениями метавулканических пород (базальт с миндалевидной текстурой) и связанных с ним вулканогенно-осадочных пород в основании. Вблизи гранитного интрузива филлиты более кристаллические или слюдистые. Формация Мигого состоит из перлитовых пород с некоторыми вкраплениями песчаных пород. Сложена она преимущественно сероватыми сланцами, которые обычно хорошо просели и выветрились, образовав серо-красную полосу филлитов и черно-серых, серовато-голубых, беловато-серых, красноватых, иногда зональных пластов с мелкими вкраплениями серых, коричневых, красноватых мелких кварцитов. В этих перлитовых породах часто встречаются андалузит, хлоритоид, биотит, ставротид.
Во время строительства плотины Рвегура была собрана геологическая информация и пьезометрические данные. Было замечено, что геологическая структура различается по разные стороны плотины, что приводит к различным эффектам давления и потенциальным деформационным процессам. Кроме того, между двумя участками наблюдались различия в пьезометрических данных, а пополнение подземных вод происходило в зависимости от сезона. Учитывая вышеупомянутый контекст, воздействие сезона дождей на тело оползня становится более заметным по мере увеличения просачивающихся вод.
Регулярный мониторинг системы замера и контроля показал, что уровень грунтовых вод в левой стенке ниже по течению от плотины оставался стабильным, в то время как в правой части он увеличивался от явного к резкому [6, 7].
Правый край ослаблен глубокими геологическими изменениями, а также подвержен боковой и подземной инфильтрации. Важно обратить особое внимание на уровень грунтовых вод и количество воды, проникшей в эту часть.
Результаты исследования и их обсуждение
По результатам наблюдений отмечается различие пьезометрических данных для левых и правых участков. Независимо от типа плотины, фундаменты и опоры подвергаются давлению, вызванному потоком воды. Эти давления могут быть определены на месте с помощью пьезометров [8]. Пьезометрические данные имеют решающее значение для изучения деформационных явлений на плотине по нескольким причинам. Они необходимы для понимания гидрогеологических факторов, которые могут способствовать деформации на электростанции и для разработки соответствующих стратегий мониторинга и управления [9, 10].
Результаты показывают, что существуют различия в показаниях пьезометров в разных местах плотины (рис. 1 и 2).
Было также проведено сравнение уровней воды на разных участках плотины Рвегура. Результаты представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Сравнение уровней воды, наблюдаемых на правой стороне плотины
|
1-й (в мбар.) |
4-й (в мбар.) |
7-й (в мбар.) |
|
40 |
20 |
50 |
|
30 |
30 |
30 |
|
30 |
60 |
60 |
|
50 |
40 |
50 |
Таблица 2
Сравнение уровней воды, наблюдаемых на левой стороне плотины
|
1-й (в мбар.) |
4-й (в мбар.) |
7-й (в мбар.) |
|
30 |
30 |
50 |
|
50 |
40 |
30 |
|
50 |
30 |
40 |
|
50 |
50 |
40 |
Рис. 1 и 2 показывают, что все измерения пропорциональны на всех участках, расположенных ближе к берегу. Конструктивные особенности плотины не влияют на результаты измерений. Графики зависят исключительно от уровня воды. Однако характеристики реакции плотины на уровень воды, приведенные в табл. 1 и 2 третьей колонки (7-й), вызывают сомнения. С одной стороны (рис. 2), автор наблюдает увеличение, но оно не является значительным.
Рис. 1. Сравнение измерения насыпи и правого берега к центру для пяти уровней воды
Рис. 2. Сравнение измерения насыпи и левого берега от берега к центру для пяти уровней воды
Пьезометрические показатели реагируют на насыпи и изменения в плотинах по-разному. Разница между насыпями и результатами измерений изменяется с разных сторон (справа и слева) в зависимости от уровня воды. Это происходит ежегодно, и если в плотину не вносятся изменения, то разница должна оставаться постоянной. Разница в показаниях объясняется установкой стабильных плотин. Разница между правой и левой сторонами отчетлива, и результаты неодинаковы. Если нет необходимости изменять плотину, то эта разница должна быть постоянной.
При максимальном уровне воды у левого края плотины разница увеличивается на 30–50 мбар в точках E9, E8 и E7 (3 точки), как показано на рис. 2.
На правом краю рис.1 разница более стабильна у берега и увеличивается с 20 до 50 мбар в точках p6, E1, E2 и E3 (4 точки). Можно сделать вывод, что перепад увеличивается больше на правом краю, чем на левом. Таким образом, автор видит, что плотина реагирует по-разному.
Заключение
В статье приводится анализ деформации плотины Рвегура на основе геологических и пьезометрических данных. Геология на правой стороне имеет уникальную характеристику, в то время как изменения на левой стороне однородны. Неясно, вызваны ли они деформациями плотины или являются ошибкой измерений. Существует разница в пьезометрических показаниях на обеих сторонах, причем на левой стороне наблюдается нелинейное увеличение. Разница между насыпью и краем должна увеличиваться линейно, но в центре она гораздо больше. Разница между пьезометрическими показаниями варьируется на пяти уровнях. На больших уровнях разница больше, а в разных точках дамбы она увеличивается с удалением от берега.
На основании анализа пьезометрических данных, полученных на плотине, можно сделать следующие выводы: во-первых, разница между давлением в насыпи и по краям составляет в среднем 30 мбар, что можно считать приемлемым как для правого, так и для левого берегов плотины; во-вторых, измерения на правом и левом берегах показали асимметричную разницу в 60 мбар, что составляет 5 % от нагрузки на плотину.
На основе анализа различных уровней воды было установлено, что существует разница и нелинейная зависимость от уровня воды.