Введение
При строительстве сложных инженерных сооружений первостепенное значение имеет обеспечение безопасности окружающей среды. Возможность значительного материального ущерба и человеческих жертв в случае разрушения конструкции делает всесторонний мониторинг критически важным. Разрушение конструкций не является внезапным событием, а представляет собой прогрессирующий процесс с идентифицируемыми предвестниками. Это подчеркивает важность непрерывного мониторинга состояния конструкций и своевременного профилактического вмешательства как важнейших стратегий поддержания эксплуатационной безопасности [1].
Гидротехнические сооружения представляют собой сложные инженерные системы, предназначенные для использования водных ресурсов и управления ими в различных целях, включая производство электроэнергии, управление водными ресурсами, орошение сельскохозяйственных угодий, борьбу с наводнениями, судоходство, аквакультуру и отдых. Являясь важнейшей инфраструктурой, прерывающей естественный поток воды, плотины подвержены постоянному воздействию сложных гидродинамических сил. Несмотря на строгий инженерный дизайн и протоколы строительства, эти сооружения по своей природе обладают потенциальными факторами риска. Следовательно, систематические и передовые методы мониторинга имеют решающее значение для обнаружения ранних признаков отклонения конструкции или потенциальных режимов отказа. Архитектурная конфигурация и структурный состав гидроэнергетических комплексов определяются несколькими взаимозависимыми факторами: выбранной стратегией использования энергии реки (системы водохранилищ или отводов), экономическими целями инфраструктурного проекта и конкретными геоморфологическими и экологическими характеристиками места строительства [1, 2].
Пьезометрические данные имеют большое значение для мониторинга плотин, поскольку дают неоценимое представление о гидравлическом поведении плотинных сооружений. Они включает в себя мониторинг просачивания и внутреннего уровня воды, что необходимо для понимания нагрузки, оказываемой водой на плотину, и обнаружения утечек или потенциальных отказов. Регулярно анализируя пьезометрические данные, инженеры могут принимать обоснованные решения о необходимом техническом обслуживании и мерах по предотвращению катастрофических разрушений [3, 4].
Цель данного исследования – проанализировать пьезометрические данные водохранилищ плотин в Республике Бурунди, плотина Рвегура, изучив изменения уровня воды и пьезометрического давления за период с 1992 по 2018 годы, чтобы выявить потенциальные структурные деформации и предложить меры по улучшению мониторинга и прогнозу моделирования устойчивости гидроэнергетической инфраструктуры.
Материалы и методы исследования
Актуальное состояние гидроэнергетических плотин в государстве Бурунди
Плотина Рвегура является основным сооружением гидроэнергетического проекта, она находится в провинции Чибитоке в Республике Бурунди и была введена в эксплуатацию в 1986 году. Конструкция плотины является результатом сложного взаимодействия важнейших инженерных параметров, включая требования к размерам, функциональные задачи, экологические и геологические характеристики конкретного объекта, а также свойства основных материалов. В инженерном отношении существует критическое различие между плотинами водохранилищ и водосливами, последние специально предназначены для регулирования уровня поверхности воды в верхнем течении. Классификация плотин представляет собой многомерную оценку гидравлической инфраструктуры, характеризующейся различными функциональными архетипами. Непроницаемые плотины предназначены для всестороннего ограничения водного потока и служат основным гидравлическим барьером. Водосбросные плотины стратегически спроектированы для управления и перенаправления избыточных объемов воды с помощью механизмов поверхностных водосбросов (открытых или механически управляемых) и инженерных систем сброса воды в глубокие каналы. Гидроэлектрические плотины имеют точную конфигурацию со специализированными водозаборными сооружениями и гидравлическими каналами, оптимизированными для питания турбинных систем, что способствует эффективному преобразованию энергии. С точки зрения материаловедения, плотины систематически классифицируются по их первичному структурному составу: геотехнические сооружения на основе грунта/почвы, конфигурации из литической (каменной) кладки и железобетонные инженерные решения. Каждая классификация отражает тонкие инженерные соображения, конструктивные возможности и адаптивные стратегии, разработанные с учетом уникального гидрологического и геологического контекста конкретного объекта. Все типы плотин используются на гидроэлектростанциях [5].
Строительство плотин включает в себя тщательно спланированную последовательность гидротехнических мероприятий, которые динамически управляют гидрологией реки в процессе развития инфраструктуры. Первоначально река поддерживает свой естественный поток через беспрепятственный участок русла. На последующих этапах строительства стратегически используется временный пропуск потока через специально спроектированные отверстия в насыпи, которые после завершения строительства систематически заделываются. В случае с более узкой морфологией реки строительство бетонной плотины может быть синхронизировано с временными изменениями реки для обеспечения непрерывного управления водными ресурсами и минимального воздействия на окружающую среду.
Бетонная плотина представляет собой сложное гидротехническое сооружение, спроектированное с учетом точных конструктивных особенностей. Обычно возводимые на тщательно подготовленном неармированном основании, эти сооружения предназначены для обеспечения контролируемой динамики водного потока при оптимальном градиенте давления. В конфигурацию сооружения часто входят сложные гидравлические элементы, в том числе бетонные волнорезы, соединенные между собой специализированными гидравлическими шлюзовыми механизмами, которые создают сложные русловые структуры.
Проект инфраструктуры часто включает в себя компоненты водохранилища, технически характеризуемые как водоприемные ямы, иногда разделенные на специализированные подсекции, а также вспомогательные структурные элементы, такие как фартуки. Эти инженерные компоненты взаимодействуют друг с другом, управляя потоком воды, контролируя гидравлическое давление и обеспечивая общую структурную целостность и эксплуатационную эффективность гидротехнической системы. Под коллектором устанавливается дренаж.
Гидроэнергетическая инфраструктура Республики Бурунди сталкивается с особым набором проблем, обусловленных уникальными географическими и климатическими особенностями страны, которые представляют собой целый ряд специфических вопросов. Регион отличается наличием двух основных сезонов. Сезон дождей определяется как период времени, в течение которого выпадает наибольшее количество осадков. Сухой сезон отличается малым количеством воды и потенциальной нестабильностью почвы. Разнообразный рельеф страны, включающий в себя крутые горы и различные типы почв, создает значительные инженерные трудности при строительстве плотин. Некоторые регионы отличаются обилием воды и растительности, в то время как другие представляют собой более сложные топографические условия. Несмотря на признание электричества в качестве ключевого элемента национального развития, Республика Бурунди также не обладает значительным местным опытом в области строительства плотин. Это подчеркивается необходимостью наращивания технического опыта и использования возможностей международного сотрудничества для содействия развитию устойчивой гидроэнергетической инфраструктуры. Следует отметить также что, для того чтобы оценить функциональность плотин в Республике Бурунди, необходимо рассмотреть ряд факторов, включая стабильность почвы, управление водными ресурсами, геологическую оценку строительных площадок и долгосрочные стратегии технического обслуживания.
Несмотря на трудности, есть несколько гидроэлектростанций, которые имеют большое значение для производства электроэнергии и развития энергетического сектора страны. В настоящее время в эксплуатации находятся не менее 20 гидроэлектростанций, еще три находятся в стадии строительства. Все эти объекты в совокупности обеспечивают наиболее стабильное электроснабжение.
Однако из 20 гидроэлектростанций три являются самыми мощными с точки зрения выработки электроэнергии. Самые значительные из них – Рвегура, Рузибази и недавно открытая Кабу 16. Рвегура, в частности, считается основной гидроэлектростанцией и ключевым элементом энергетической инфраструктуры государства Бурунди. В настоящее время установленная мощность производства электроэнергии в стране составляет около 97,2 МВт, из которых на долю гидроэлектростанций приходится почти 49 МВт. Большинство гидроэлектростанций находятся в собственности и под оперативным контролем REGIDESO (Régie de Production et de Distribution de l’Eau et de l’Électricité) – национального коммунального предприятия, отвечающего за производство и распределение электроэнергии. Однако доступ к электроэнергии в государстве Бурунди остается одним из самых низких в мире по сравнению с другими странами [6].
В данной работе изучены данные из 27 пьезометров, которые были установлены в нескольких точках, распределенных по нескольким профилям плотины. При установке пьезометры были спроектированы таким образом, чтобы их фундаменты достигали высоты 2110 м. Некоторые пьезометры успешно достигли данного уровня, другие были установлены на несколько меньшей высоте.
Динамика климата и мониторинг гидроэлектростанций в Бурунди с использованием пьезометрических данных
Географическое положение Бурунди обусловливает сложный тропический климат, характеризующийся значительными пространственными колебаниями температуры. На климатические условия страны в первую очередь влияет топографическое разнообразие, которое привело к формированию отдельных микроклиматических зон. Центральный регион характеризуется умеренным климатом со средней температурой около 20°C. Напротив, в районах, прилегающих к озеру Танганьика, климат теплее – средняя температура составляет около 23°C. Контраст между горными территориями и заметно более низкими температурами, которые они обеспечивают, подчеркивает сложный метеорологический ландшафт.
Благодаря своему расположению государство имеет тропический климат, который является относительно жарким и влажным. Температуры значительно варьируются от одного региона к другому, главным образом из-за различий в высоте местности. Выпадения осадков также неравномерны между южной и северной частями страны. Годовое количество осадков составляет от 1200 до 1700 мм в год (рис. 1) [7, 8].
График хорошо отображает сезонный характер осадков в регионе. На нем четко прослеживается сезонность: наибольшее количество осадков выпадает в сезон дождей, а наименьшее – в июне, июле и августе, что соответствует более сухому сезону.
Эти колебания количества осадков оказывают значительное влияние на гидрологические системы страны, которые, в свою очередь, влияют на потенциал выработки гидроэлектроэнергии.
В последних исследованиях в области изменения климата и его влияния на управление гидроэнергетикой особое внимание уделяется значению метеорологических переменных, в частности температуры и осадков. В научной литературе, посвященной влиянию изменения климата на гидроэнергетическую инфраструктуру, наблюдается значительное разнообразие подходов. Некоторые исследователи ограничиваются моделями осадков, признавая, что осадки являются основным фактором, определяющим доступность воды для производства электроэнергии. Альтернативные методологические схемы предлагают комплексный анализ, изучающий взаимосвязи между изменением климата, трансформацией землепользования и потребностями в ирригации [9].
Гидроэнергетический сектор сталкивается с серьезными проблемами, обусловленными локальной динамикой климата. Потенциал изменения климата вносит значительную степень неопределенности в планирование и эксплуатационную надежность энергетической инфраструктуры [10, 11]. Для поддержания стабильного энергоснабжения и развития устойчивой инфраструктуры необходимо разработать комплексные стратегии адаптации, учитывающие экстремальную изменчивость климата.
Рис. 1. Среднемесячное количество осадков (1992–2018 гг.)
Рис. 2. Взаимосвязь между уровнем воды и пьезометрическими данными, показывающая, как сильно уровень воды влияет на правую и левую стороны
Еще одним подходом является использование взаимозависимости между уровнем воды и пьезометрическими данными в плотинах, так как она очень важна для поддержания их безопасности и эксплуатационной эффективности. Необходимо продолжать исследования, чтобы усовершенствовать методики учета этих сложных взаимосвязей и разработать передовые модели прогнозирования [12]. Показатели пьезометрического давления отражают гидравлическое состояние плотины, где уровень воды влияет на давление пороговой воды в окружающих материалах. Исследования показали устойчивую положительную линейную зависимость между пьезометрическим давлением и уровнем воды, указывающую на то, что с повышением уровня воды повышается и давление пороговой воды. Для оценки взаимосвязи между уровнем воды и пьезометрическим давлением используются различные методы мониторинга [13, 14]. Пьезометры устанавливаются в стратегических местах внутри и вокруг плотины для измерения напора (рис. 2).
Графики демонстрируют колебания уровня воды и пьезометрических показаний за период с 1992 по 2018 годы. Рассмотрена взаимосвязь между уровнем воды и пьезометрическими показаниями, так как наблюдается, что пьезометрические показатели реагируют на изменения уровня воды. Заметные колебания и отклонения наблюдаются между уровнем воды и пьезометрическими измерениями, особенно в последние годы, что указывает на возможность структурных или эксплуатационных проблем с плотиной.
За 26-летний период уровень воды снижается, и пьезометрические измерения по обеим сторонам плотины также имеют определенную тенденцию к снижению. Однако снижение пьезометрических показателей более выражено на правом берегу, и оно зеркально отражает снижение уровня воды.
Колебания и отклонения, наблюдаемые при пьезометрических измерениях, могут свидетельствовать о наличии структурных проблем, проблем с техническим обслуживанием или об изменении условий эксплуатации плотины с течением времени.
Заключение
Реакции на левой и правой сторонах плотины зависят от пьезометрических данных и, следовательно, должны оставаться стабильными независимо от уровня воды. Если пьезометрические измерения на левой и правой сторонах совпадают, можно предположить, что силовые реакции также будут одинаковыми, что указывает на однородность условий нагружения на обеих сторонах плотины. Однако данные демонстрируют заметные несоответствия между пьезометрическими показаниями на левой и правой сторонах плотины, это свидетельствует о том, что силы, действующие на плотину, не являются равномерными.
Отсутствие корреляции между уровнем воды и пьезометрическими данными свидетельствует о наличии внешних сил, действующих на плотину и приводящих к деформации.
Геодезические методы могут быть использованы для определения степени и характера деформации, однако они не дают полного представления о причинах, лежащих в ее основе. Расхождение пьезометрических измерений на левой и правой сторонах плотины указывает на наличие деформирующих сил, которые могут привести к возникновению структурных проблем, если их не устранить.
Для выяснения конкретных механизмов, ответственных за дифференциальную деформацию, необходимы дальнейшие исследования и анализ. Совмещение пьезометрических данных на левой и правой сторонах при одинаковом уровне воды станет важным шагом в выявлении основных причин нестабильности. Крайне важно устранить дифференциальные силы, действующие на плотину, чтобы гарантировать ее долгосрочную структурную целостность и безопасную эксплуатацию.