4Окт, 2022
Авария на Саяно-Шушенской ГЭС
Дискуссии о том были ли перед аварией на Саяно-Шушенской ГЭС повышенные вибрации на втором гидроагрегате реально, или неисправный прибор показывал повышенные значения, продолжаются до сих пор [1,2,3,4,5,6]. Странным кажется то обстоятельство, что из показаний десяти датчиков системы виброконтроля только на одном (датчик радиальных вибраций турбинного подшипника) значения вибраций превышают норму. Можно ли сейчас, попытаться решить этот вопрос? Теоретически можно. Будем рассуждать следующим образом. В 4.43 километрах от СШ ГЭС есть сейсмологическая станция «Черемушки» (рис.1). Записи колебаний за последние годы в цифровом виде сохранены. Все события за годы до аварии, момент аварии и запуски гидроагрегатов после аварии, на ней нашли отражение. Изучая записи колебаний полученных на сейсмостанции и на временных станциях, установленных во время запуска после аварии новых гидроагрегатов, мы видим, что некоторые колебания излучаемые гидроагрегатом хорошо регистрируются как вблизи гидроагрегата, так и на сейсмостанции. Давайте попытаемся изучить эти колебания. Любые изменения в режиме работы гидроагрегата хорошо видны как на станции установленной вблизи гидроагрегата, так и на станции «Черемушки». Есть проблема: перед аварией работали не один, а 9 гидроагрегатов (включая и второй). Как определить вклад каждого, если они работали на одной и той же частоте? Попытаемся выделить те участки записи, где работали все гидроагрегаты кроме второго на одном и том же режиме, а потом выделим те участки, где работали эти же агрегаты плюс второй. За два года работы таких ситуаций было много. Проанализируем эти записи, и поймем, как изменялась интенсивность сейсмических колебаний от второго гидроагрегата с течением времени, в том числе и перед аварией.
Рис.1. Схема сейсмологических наблюдений вблизи Саяно-Шушенской ГЭС. Перед аварией работала только одна сейсмостанция — «Черемушки».
Для анализа сейсмических записей в ГС СО РАН разработана и запатентована [7,8,9] методика обработки данных, позволяющая выделять из сейсмической записи источник колебаний определенной частоты и отслеживать изменения амплитуд колебаний с течением времени. Суть методики заключается в следующем. Для первоначального анализа зарегистрированных сейсмограмм используются методика построения текущих спектров (или спектрограмм). Принцип построения текущих спектров следующий: по сейсмической записи скользят временным окном, для каждого положения которого рассчитывается амплитудный спектр. Множество таких спектров образуют двумерное изображение, по одной координате которого откладывается текущее время, по другой – частота. Амплитудам спектров соответствует цветная шкала, большие амплитуды отображаются более яркими (например, красными) цветами, а низкие – более темными (например, синими). Текущий спектр позволяет на качественном уровне определить, как меняется амплитудно-частотный состав записи с течением времени и выделять из всей записи источники определенной частоты. Для выполнения количественных оценок предлагается строить графики изменения амплитуд колебаний на фиксированных частотах по формуле:
где f(τ) – зарегистрированный сейсмический сигнал, ω – частота, для которой строится график, t – текущее время, Т – интервал времени (окно), в котором определяется амплитуда (в нашем случае Т -10 сек.), Aω(t), |…| – означает модуль комплексного числа.
На рис.2 показаны графики изменения амплитуд сейсмических колебаний на частоте 38.1Гц (лопастная частота). Видно, что с увеличением нагрузки на гидроагрегате, амплитуды колебаний возрастают и эта особенность наблюдается и по регистрации в основании плотины Саяно-Шушенской ГЭС возле гидроагрегата №6 и на удалении 4.43км от ГЭС на сейсмостанции «Черемушки». Таким образом, даже имея записи только с удаленной сейсмической станции (такая ситуация была перед аварией), можно отслеживать работу гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС.
Рис.2. Пример связи изменений режимов работы гидроагрегата №6 с регистрируемыми колебаниями в основании плотины и на сейсмостанции «Черемушки».
Исследования по совместному анализу данных регистрации сейсмостанции «Черемушки» и данных по изменениям режимов работы гидроагрегатов за сутки до аварии показали следующее. Изменения режимов работы гидроагрегатов фиксируются на графиках изменения амплитуд колебаний на «лопастной» частоте 38,1 Гц: увеличение нагрузки гидроагрегатов сопровождается ростом амплитуд колебаний. При этом регистрируемый сигнал формировался в результате совместного влияния работы 9-ти действовавших гидроагрегатов. Для выделения из регистрируемого сигнала составляющей, связанной с работой только ГА-2, был произведен следующий прием обработки. За время наблюдений были выделены и проанализированы 2 временных интервала: интервал 1 (16.08.2009 с 22:00 по 23:00) и интервал 2 (с 16.08.2009 23:48 по 17.08.2009 00:19), на которых каждый из гидроагрегатов, кроме 2-го, работал с постоянной нагрузкой. На первом интервале ГА-2 был остановлен, на втором работал под нагрузкой 600 МВт. По данным регистрации сейсмостанции «Черемушки» были рассчитаны средние значения и дисперсии амплитуд колебаний на частоте 38.1 Гц для 1-го и 2-го интервала.
Выяснилось, что дисперсия колебаний в интервале 1 и 2 практически не изменилась и составила 0.0006 мкм/с. Таким образом, можно заключить, что при включении в работу ГА-2 не произошло аномально высоких выбросов в амплитудах колебаний, по сравнению с выбросами, связанными с работой остальных гидроагрегатов. Также установлено, что средние значения амплитуд колебаний возрастают на 0.002 мкм/с от интервала 1 к интервалу 2, и эта величина является составляющей зарегистрированных колебаний, связанной с работой только ГА-2 (по состоянию на 16-17 августа 2008г.).
Таким образом, за сутки до аварии на СШ ГЭС, по данным регистрации на сейсмостанции «Черемушки», не наблюдалось «аномальных» изменений амплитуд колебаний, связанных с работой аварийного гидроагрегата (воздействия от ГА-2 не отличались от воздействий, порождаемых другими гидроагрегатами). Это, в свою очередь, может свидетельствовать в пользу того, что физическое состояние ГА-2 16-17 августа 2009г оставалось стабильным.
Рис.3. Анализ колебаний второго гидроагрегата на лопастной частоте 16-17 августа 2009г.
Проведены исследования по анализу данных с сейсмостанции «Черемушки», за период с 01.01.2009г до момента аварии 17.08.2009г. Рассмотрены сейсмические записи, охватывающие интервалы до ремонта гидроагрегата №2 (ГА-2), месяц после ремонта и в течение одного месяца до момента аварии. Выделены и проанализированы две особенности зарегистрированного волнового поля, которые связаны с работой оборудования Саяно-Шушенской ГЭС:
1. До аварии в волновом поле уверенно выделялись колебания с частотой 2,381Гц – оборотная частота гидроагрегатов. По записям сейсмостанции на этой частоте наблюдались ступенчатообразные скачки амплитуд, соответствующие по времени моментам пуска или остановки ГА-2, а также других агрегатов (ГА-1, ГА-3, ГА-4, ГА-9 и ГА-10). Амплитуды скачков, соответствующие пуску или останову ГА-2 за все рассмотренные промежутки времени примерно в 1,5 раза выше, чем на остальных гидроагрегатах. При этом не отмечено роста амплитуд этих скачков непосредственно перед аварией (рис.4).
Рис.4. Графики изменения значений амплитуд колебаний на оборотной частоте, зарегистрированные сейсмостанцией «Черемушки» в моменты пуска или останова гидроагрегатов СШ ГЭС.
2. За 5 минут до аварии наблюдалось повышение амплитуд колебаний на низких частотах (до 5Гц). Эта особенность наблюдалась многократно до момента аварии. Установлено, что колебания возникали на определенных частотах, которые совпадают с собственными частотами колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Амплитуды колебаний, наблюденные непосредственно перед аварией, в целом, выше средних значений, однако не максимальные (рис.5). Установлено, что они возникают при определенных режимах работы гидроагрегатов СШ ГЭС: за месяц до аварии при нагрузках 560-580МВт; в течение полумесяца после ремонта ГА-2 – 475-525МВт. Также показано, что эта особенность связана не только с работой гидроагрегата №2, подобные низкочастотные колебания возникали и в тех случаях, когда агрегат был остановлен, но работали другие.
Рис.5. График амплитуд колебаний, наблюдаемых на сейсмостанции «Черемушки» при определенных нагрузках гидроагрегатов СШ ГЭС.
Выводы
Экспериментально установлено, что перед аварией 17.08.2009 на сейсмограммах станции «Черемушки» наблюдались особенности, которые связаны с работой гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС (как аварийного ГА-2, так и других гидроагрегатов). Однако такие же особенности наблюдались неоднократно и до момента аварии (проведен анализ, начиная с 01.01.2009г.). Аномалий, которые бы свидетельствовали о нештатной работе ГА-2 (или других гидроагрегатов) непосредственно перед аварией, по записям сейсмостанции «Черемушки» не выявлено. Это позволяет делать вывод о том, что характер аварии имел особенности «аварии последней капли».
Литература
- Акт технического расследования аварии, произошедшей 17 августа 2009 года в филиале «РусГидро» — «Саяно- Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего». Федеральная служба по экономическому, технологическому и атомному надзору, 2009 г. // [http://ru.wikisource.org/wiki]
- Клюкач А.А. О вибрации на агрегате №2 СШГЭС до аварии. Дискуссия // [http://tayga.info/details/2011/02/02/~102283] — 2 февраля 2011г.
- Курзин В.Б., Селезнев В.С. О механизме возникновения высокого уровня вибраций турбин Саяно-Шушенской ГЭС // Прикладная механика и техническая физика. 2010. — Т.51. — № 4. — с.166-175.
- Лобановский Ю. Продолжение полемики об аварии на СШГЭС, или Миф о Саянской катастрофе-2 // [http://tayga.info/details/2011/01/04/~101924] — 4 января 2011г.
- Рассохин Г. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС: реальность и мифы // [http://www.plotina.net/sshges-rassokhin-3/] – 23 ноября 2011г.
- Рассохин Г. Гидродинамические факторы аварии на Саяно-Шушенской ГЭС // [http://www.plotina.net/sshges-rassokhin-5/] – 25 марта 2012г.
- Селезнев В.С., Еманов А.Ф. Пересчет волновых полей головных волн фильтрами Винера (статья) // Геология и геофизика. – 1998. — №4. — с.33-40.
- Селезнев В.С. Симфония катастроф // Наука из первых рук. 2010. — №3. — с.35-37.
- Селезнев В.С., Лисейкин А.В., Брыксин А.А. Способ непрерывного мониторинга физического состояния зданий и/или сооружений и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение №2010128394/28, 08.07.2010.
3Окт, 2022
Плотина Саяно-Шушенской ГЭС
Первоисточник:
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Кречетов Д.В. Определение частот собственных колебаний сооружений по малоамплитудным сейсмическим сигналам (на примере плотины Саяно-Шушенской ГЭС по данным мониторинга 2001–2021 гг.) // Российский сейсмологический журнал. – 2023. – Т. 5, № 2. – С. 32-50. http://www.gsras.ru/rjs/uploads/files/2023-05-02/rus/03.pdf
ВВЕДЕНИЕ
Оценка устойчивости зданий и инженерных сооружений по данным сейсмического мониторинга, несомненно, представляет существенный практический интерес в части контроля их технического состояния. Известно, что такие факторы, как появление трещин, ослабленных зон, смена напряженно-деформированного состояния, температурное изменение, изменение граничных условий на контакте c внешней средой и др., с течением времени приводят к изменению параметров собственных колебаний сооружений, в том числе значений собственных частот. Такие факторы ослабляют устойчивость техногенных сооружений при сейсмическом воздействии и, при этом, риск их разрушения в сейсмоактивных регионах очень высокий. Поэтому оценка частот собственных колебаний сооружений и их изменений во времени дает возможность определять их устойчивость, риски разрушения, а значит, и предупреждать их
На сегодня известны различные способы определения частот собственных колебаний сооружений. Например, по зарегистрированным колебаниям, вызванным воздействием искусственных источников типа вибратор, или вследствие промышленных взрывов [Loh, Wu, 2000; Mendes et al, 2007;], или в результате природных землетрясений [Weng, Loh, 2010]. Трудоемкие и затратные способы с искусственными источниками, особенно в случае крупных сооружений (таких как плотины ГЭС), нечасто используются для решения задач оперативного контроля устойчивости сооружений. Мало применяются способы, основанные на записях природных землетрясений в силу невозможности прогнозирования времени и места их возникновения. Тем не менее они реализуются с получением некоторой информации о техническом состоянии конструкций, хотя и с недостаточной точностью [Weng, Loh, 2010]. Известны также способы определения частот собственных колебаний сооружений по зарегистрированным фоновым микросейсмическим колебаниям объекта. Они основаны на известном факте, что практически в любом инженерном сооружении из-за его ограниченного объема при воздействии микросейсм формируется совокупность стоячих волн [Еманов и др., 2002]. С учетом этого в исследованиях ряда авторов собственные частоты определяются по локальным максимумам спектров микросейсмических колебаний, зарегистрированных в нескольких точках сооружения [Егоров и др., 2016; Antonovskaya et al., 2017]. Этот способ прост в реализации, но из-за сложности геометрической формы собственных колебаний сооружений возможны ошибки в идентификации их мод. Кроме того, на полезный сигнал могут накладываться разнообразные помехи от работающего в сооружении оборудования. Исследование также осложняется тем, что при расположении датчиков в области узлов стоячих волн определить их частоты практически невозможно [Liseikin et al., 2020]. Разработанный В.С. Селезневым и А.Ф. Емановым метод когерентного восстановления полей стоячих волн позволяет выделять из зарегистрированных микросейсмических колебаний когерентные во времени и пространстве колебания – стоячие волны [Еманов и др., 2002]. За счет регистрации в опорной точке измерения осуществляют ограниченным числом датчиков на сколь угодно густой сети наблюдений. Это позволяет строить детальные моды для каждой из частот собственных колебаний и исключает погрешность их идентификации. Однако данный метод требует, прежде всего, временных, а также материальных затрат на: регистрацию колебаний на густой сети наблюдений, обработку цифровых данных и интерпретацию результатов и поэтому не используется для оперативных (например, ежедневных) определений значений частот собственных колебаний сооружений.
Арочно-гравитационная плотина Саяно-Шушенской ГЭС, являясь самой крупной в России, к тому же расположенной в зоне высокой сейсмической активности (9 баллов по карте ОСР-97С), представляет важный объект в плане разработки новых подходов в получении высокоточной информации и практический интерес в плане контроля технического состояния сооружений. Известны исследования 1993-1995 гг. материалов, полученных с использованием мощного дебалансного вибратора [Брызгалов, 1999] и 1997-1998 гг., выполненные методом когерентного восстановления полей стоячих волн [Еманов и др., 2002], по результатам анализа которых определены частоты собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС при минимальном и максимальном заполнении водой водохранилища и установлена фактическая их связь с изменением уровня воды (Табл. 1). Из анализа табличных данных следует, что при максимальном уровне воды значения частот первых семи мод собственных колебаний плотины на 0.1-0.2 Гц меньше, чем при минимальном. Специалистами это объясняется общеизвестным «эффектом присоединенной массы»: чем выше уровень воды в водохранилище, тем больше совместная масса плотины с присоединенной водой, следовательно, частоты собственных колебаний становятся меньше. Обращает внимание разница в значениях частот, определенных при одном и том же уровне воды в водохранилище, но в разные годы: она составляет от 0.005 до 0.072 Гц; в публикациях не дается объяснения, чем она вызвана. Вместе с тем, из результатов численного конечно-элементного моделирования колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС следует, что при появлении трещин в модели сооружения, частоты собственных колебаний понижаются до 0.05 Гц [Hsu et al., 2020].
Таблица 1. Значения частот первых семи мод собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС по результатам других исследователей [Брызгалов, 2002; Еманов и др. 2002]
|
Номер моды |
Значения при максимальном уровне воды, Гц |
Разница частот, Гц |
Значения при минимальном уровне воды, Гц |
Разница частот, Гц |
||
|
Исследования 1993-1995 гг. [Брызгалов, 1999] |
Исследования 1997-1998 гг. [Еманов и др., 2002] |
Исследования 1993-1995 гг. [Брызгалов, 1999] |
Исследования 1997-1998 гг. [Еманов и др., 2002] |
|||
|
1 |
1.1 |
1.129 |
-0.029 |
1.25 |
1.236 |
0.014 |
|
2 |
1.2 |
1.217 |
-0.017 |
1.33 |
1.325 |
0.005 |
|
3 |
1.5 |
1.527 |
-0.027 |
1.65 |
1.633 |
0.017 |
|
4 |
1.85 |
1.921 |
-0.071 |
2.0 |
2.035 |
-0.035 |
|
5 |
2.4 |
2.448 |
-0.048 |
2.5 |
2.531 |
-0.031 |
|
6 |
2.9 |
2.972 |
-0.072 |
3.1 |
3.064 |
0.036 |
|
7 |
3.6 |
3.635 |
-0.035 |
3.7 |
3.679 |
0.021 |
Последние годы (начиная с 2014 г.) ведется непрерывный сейсмометрический мониторинг колебаний в ряде точек плотины Саяно-Шушенской ГЭС автоматизированной системой сейсмометрического контроля (АССК), установленной по заказу ПАО «РусГидро». Известны исследования по определению частот собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС по спектрам микросейсмических колебаний, записанных названной системой [Саранцев, 2017]. Однако до 2014 года такой мониторинг не проводился из-за отсутствия непрерывно регистрирующей аппаратуры. Вместе с тем, изменение технического состояния плотины, связанное, например, со старением материалов конструкции, как известно, длится годами, даже десятилетиями.
В связи с этим необходимы новые методики определения собственных частот сооружений и анализа их изменений с течением времени для оценки их устойчивости.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Из публикаций известен способ определения значений частот собственных колебаний сооружения с использованием непрерывных сейсмограмм, записанных на сейсмостанциях в его окрестности [Лисейкин и др., 2014]. Результаты исследования показывают, что плотина Саяно-Шушенской ГЭС, колеблющаяся в результате формирования в ней стоячих волн, является источником упругих волн, которые, распространяясь в среде, фиксируются станциями сейсмологической сети на расстояниях даже в несколько километров, несмотря на их существенно низкую амплитуду (на несколько порядков ниже по сравнению с общим уровнем микросейсмического шума). Причем частоты собственных колебаний плотины определяются по локальным максимумам усредненных спектров записей сейсмического шума, при этом с высокой степенью достоверности определяются значения частот первых семи мод. Поскольку сейсмические записи со станций сейсмологической сети ФИЦ ЕГС РАН хранятся в цифровом виде неограниченное время (с момента ввода в эксплуатацию современной цифровой регистрирующей аппаратуры 2-3 десятилетия назад), то это дает возможность выполнять их обработку и интерпретацию для определения частот собственных колебаний сооружения за многолетний период мониторинга. Это актуально для контроля за изменением технического состояния плотины под воздействием таких факторов, как старение материалов конструкции, растрескивание горных пород, их обводнение, заиливание и накопление наносов на дне водохранилища в области примыкания к плотине и др., которые, как известно, длятся годами, даже десятилетиями.
Из публикаций известно, что изменение частот собственных колебаний сооружения может свидетельствовать не только о разрушительных процессах в нем, но и быть вызвано воздействием внешней среды, как правило, сезонного характера. К ним относятся приведенные выше примеры изменения частот собственных колебаний плотин от изменения уровня воды в водохранилище. Кроме этого, так как Саяно-Шушенская ГЭС расположена в умеренных климатических условиях (среднемесячные температуры зимой до минус 20° С, летом – до плюс 20° С), то это также необходимо учитывать, поскольку частоты собственных колебаний изменяются в том числе и от изменения температуры материалов конструкций [Cai et al, 2021]. Кроме того, исследователями отмечается, что изменения частот собственных колебаний сооружений при смене температур с отрицательных на положительные и наоборот (промерзание/оттаивание конструкций) имеют свои особенности, существенно затрудняющие их учет [Nguyen et al, 2017].
В настоящем исследовании по многолетним цифровым записям на одной из станций сейсмологической сети Алтае-Саянского региона – «Черемушки» (международный код CERR), расположенной на расстоянии 4.4 км от Саяно-Шушенской ГЭС, после их обработки по специально разработанной методике [Лисейкин и др., 2014], определяются частоты первых семи мод собственных колебаний плотины за период 2001-2021 гг., выполняется анализ их изменения в связи с воздействиями внешней среды, такими как изменение уровня воды в водохранилище и температура воздуха.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, АППАРАТУРА
Исходной информацией для регулярного определения значений частот собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС служат данные мониторинга (с 2001 г. по 2021 г.) в виде цифровых сейсмических записей (в формате miniseed) станции «Черемушки» (международный код CERR) локальной сейсмологической сети района Саяно-Шушенской и Майнской ГЭС, принадлежащей ПАО «РусГидро» и исследуемой сейсмологами Алтае-Саянского филиала Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН» (АСФ ФИЦ ЕГС РАН) [Еманов и др., 2022]. Используемая сейсморегистрирующая аппаратура с 2001 по 2012 год – регистраторы серии «Байкал» с сейсмометрами СМ3-КВ; с 2013 г. по настоящее время – широкополосные велосиметры CMG-3ESPCDE производства компании Guralp. Сейсмостанция расположена в 4.4 км с северо-востока от Саяно-Шушенской гидроэлектростанции на территории одноименного поселка (рис. 1). Также при анализе используются материалы, полученные (в том числе авторами статьи) в 2010-2014 гг. при регистрации в ряде точек плотины микросейсмических колебаний помощью мобильных сейсмических регистраторов серии «Байкал». При этом указанные колебания регистрируются в разное время года в течение нескольких дней, а материалы используются для идентификации малоамплитудных сигналов от собственных колебаний плотины, регистрируемых удаленной сейсмостанцией. При анализе связи изменения частот собственных колебаний плотины с изменением уровня воды в водохранилище используются значения уровня воды в верхнем бьефе, предоставленные сотрудниками ПАО «РусГидро» (до 2016 г.) и заимствованные с Интернет-ресурса [http://www.rushydro.ru/hydrology/informer/].
Рис. 1. Плотина Саяно-Шушенской ГЭС [https://wikimapia.org/] и расположение ее и сейсмостанции на снимке со спутника [https://earth.google.com/].
Автономные сейсмические регистраторы серии «Байкал» для временного мониторинга (1, 2); станция «Черемушки» сейсмологической сети для постоянной регистрации (обслуживается АСФ ФИЦ ЕГС РАН) (3); плотина Саяно-Шушенской ГЭС (4).
Из-за удаленности сейсмостанции «Черемушки» от ГЭС (расположена на территории поселка) и повышенной сейсмической активности региона сейсмические записи «зашумлены» всевозможными помехами техногенного и природного происхождения, затрудняющими выделение малоамплитудных сигналов от собственных колебаний плотины и определение их частот (рис. 2а). Для повышения достоверности их выделения применяются следующие способы цифровой обработки данных [Лисейкин и др., 2014]. Прежде всего записи традиционно отфильтровываются от высокоамплитудных помех (от движущегося транспорта, от землетрясений или промышленных взрывов и др.) обнулением участков записей с амплитудами колебаний выше фоновых значений. Затем полезный сигнал накапливается: сейсмическая запись разделяется на ограниченные по времени блоки, для каждого блока с использованием преобразования Фурье вычисляются амплитудные спектры и усредняются. В качестве примера (рис. 2б) приводятся усредненные амплитудные спектры, рассчитанные для разной длины записи микросейсмического шума: от 100 с (единичный спектр) до 51200 с (соответственно усреднение 512 спектров). При сопоставлении спектров видно, что при длине записи от 12800 с (около четырех часов, 128 спектров) усредненные спектры сглаживаются и с дальнейшим увеличением длины записи не меняются.
Рис. 2. Суточная запись микросейсмического шума на E-компоненте сейсмостанции «Черемушки» (а) и усредненные амплитудные спектры от разной ее длины (б).
Из результатов спектрального анализа микросейсмического шума на станции «Черемушки» следует вывод, что аргументы локальных максимумов усредненных амплитудных спектров (рис. 2б) соответствуют частотам собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Для строгого доказательства этого сопоставляются амплитудные спектры от одновременных записей сейсмического шума в плотине и на сейсмостанции «Черемушки» (рис. 3). Для примера сопоставляются спектры с двух разнесенных в плотине точек регистрации (1 и 2 по схеме на рис. 1): из-за различного их положения относительно узлов и пучностей стоячих волн (где амплитуда минимальна и максимальна, соответственно) амплитуды собственных колебаний также отличаются. Для большей достоверности определения частот каждой из мод собственных колебаний их значения берутся с тех точек, где амплитуда локального максимума принимает наибольшее значение (такие точки расположены в местах, отличных от узлов соответствующей моды стоячей волны). На усредненных спектрах микросейсмического шума, зарегистрированного на сейсмостанции «Черемушки», видно, что аргументы локальных максимумов совпадают с таковыми при одновременной регистрации сейсмического шума в плотине (рис. 3). Причем наиболее точное совпадение (разница не превышает 0.01 Гц) достигается при сопоставлении среднеквадратичных значений амплитуд усредненных спектров по трем компонентам (N, E, Z) записи. Это хорошо видно на графике (рис. 3в) Таким образом, из сопоставления усредненных спектров одновременных записей в плотине и на удаленной в 4.4 км от нее сейсмостанции «Черемушки» следует, что по записям последней определяются частоты собственных колебаний плотины с погрешностью не более 0.01 Гц.
Рис. 3. Усредненные амплитудные спектры суточной записи микросейсмических шумов в плотине Саяно-Шушенской ГЭС (а) и на сейсмостанции «Черемушки» (б, в) при одновременной регистрации 30.06.2014 г.
Радиальная X-компонента в точках 1 (1) и 2 (2) на рис. 1 (а); спектры от трех (E, N, Z) компонент записи сейсмостанции (б); график среднеквадратичных значений амплитуд спектров по трем компонентам (в); выделенные локальные максимумы спектров в соответствии с частотами собственных колебаний плотины (3).
Количество усреднений, необходимое для построения сглаженного усредненного спектра (рис. 2а, рис. 3б), зависит как от уровня помех, так и значений амплитуд полезных сигналов, меняющихся с течением времени. В исследовании [Селезнев и др., 2013] показано, что в разное время, в зависимости от режимов работы ГЭС, амплитуда собственных колебаний плотины изменяется до 10-20 раз. На графике (рис. 4) видно, что связь между значениями амплитуды колебаний плотины и амплитуды сигнала, выделяемого из спектра микросейсмического шума, зарегистрированного в 4.4 км от ГЭС, фактически линейная, а значит амплитуда полезного сигнала, регистрируемого на сейсмостанции «Черемушки», также пропорционально меняется в широких пределах, и, следовательно, требуется разное количество усреднений (при увеличении амплитуды сигнала в 10 раз необходимое количество усреднений уменьшится в 100 раз). Из анализа зарегистрированных в разное время года записей следует, что для надежного выделения на сейсмостанции «Черемушки» сигналов, связанных с собственными колебаниями плотины Саяно-Шушенской ГЭС (при условии очистки сейсмограмм от высокоамплитудных помех), количество усреднений не превышает 500-1000 при длине записи 0.5-1.0 сутки.
Рис. 4. Линейная зависимость между амплитудами локальных максимумов спектров (в области частоты 3.7 Гц) микросейсмического шума при одновременной регистрации на сейсмостанции «Черемушки» и в верхней части плотины Саяно-Шушенской ГЭС для трех разных дат и времен наблюдений.
Для вычисления единичных спектров необходимо знать критерии оценки временного интервала, который определяется следующим образом. Общеизвестно, что разрешенность спектра по частоте обратно пропорциональна длине временного интервала записи, по которой он вычисляется. Поэтому чем выше интервал, тем точнее можно определить значение частот собственных колебаний (при отсутствии помех). Однако увеличение временного интервала ведет к снижению числа слагаемых при вычислении усредненного спектра, а значит уменьшается и соотношение «сигнал/помеха». Для минимизации этого эффекта определяется оптимальный временной интервал. При исследовании собственных колебаний сложных объектов, имеющих ряд степеней свободы и соответствующий ряд резонансных областей в частотной характеристике, разрешение увязывается с шириной этих резонансных областей и расстоянием по частоте между ними. Для определения этой величины используются записи колебаний верхней части плотины, по которым вычисляются спектры при разных временных интервалах. На спектрах (рис. 5) видно, что при временном интервале менее 100 с их графики «изломаны», что не позволяет точно определять значения частоты, а при интервале 25 с и менее разрешенность становится настолько низкой, что не позволяет различить сигналы, близкие по частоте. Исходя из вышеизложенного, временной интервал для вычисления единичных спектров берется 200 с, что соответствует высокой разрешенности в 0.005 Гц.
Рис. 5. Усредненные амплитудные спектры радиальных X-колебаний верхней части плотины Саяно-Шушенской ГЭС при разной длине записи для единичного спектра по результатам измерения 06.02.2015 в точке 1 (рис. 1).
На графиках изменения во времени частот первых семи мод собственных колебаний плотины, определенных описанным выше способом по усредненным спектрам микросейсмического шума на сейсмостанции «Черемушки» (рис. 6), видна их сезонная периодичность, как и периодичность изменения уровня воды в водохранилище, причем разброс названных частот составляет 0.16-0.22 Гц. При линейной аппроксимации отмечается увеличение средних значений частот собственных колебаний плотины в течение 20-летнего периода наблюдений на 0.02‑0.03 Гц, что на порядок ниже средних значений их сезонных изменений. Из этого следует вывод, что для повышения точности определения значений частот собственных колебаний плотины необходим подход, позволяющий снизить влияние сезонных изменений, которые, как известно из публикаций, вызваны изменениями уровня воды в водохранилище.
Рис. 6. Изменение во времени уровня воды в водохранилище (а) и частот 1-7 мод собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС (б-з).
Линейная аппроксимация (1).
На графиках зависимости частот с 1-й по 7-ю моды собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС от уровня воды в водохранилище за 20-летний период наблюдений (рис. 7) видно, что в целом при возрастании уровня воды отмечается понижение частот ее колебаний. Как отмечалось выше, специалистами это объясняется эффектом «присоединенной массы» воды (чем выше уровень воды, тем больше масса колебательной системы, плотины с присоединенной водой, и тем ниже частота собственных колебаний, соответственно) и установлено другими исследователями по однократным определениям частот при максимальном и минимальном уровне воды [Брызгалов, 1999; Еманов и др., 2002], а также по данным мониторинга собственных колебаний плотины в период 2016-2017 гг [Саранцев, 2017]. Однако из анализа всей совокупности данных (ежедневные определения значений частот собственных колебаний плотины за 20-летний период мониторинга) следует, что связь между частотой и уровнем воды неоднозначна: при одном и том же уровне воды разброс частот составляет 0.04‑0.14 Гц при погрешности их определения не более 0.01 Гц. Это указывает на то, что изменение значений частот собственных колебаний плотины происходит не только при изменении уровня воды, но и от воздействия других факторов. Так, Саранцевым М.И. доказывается, что дополнительным фактором изменения значения частот собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС может быть замерзание воды в водохранилище [Саранцев, 2017]. В дополнение к этому можно предположить, что и промерзание/оттаивание бетона самой плотины в холодное время года будет влиять на частоту колебаний (уменьшать или увеличивать). Результаты анализа изменения частот собственных колебаний плотины во времени за 20-летний период мониторинга это подтверждают. Из сопоставления графиков изменения частоты четвертой моды собственных колебаний плотины и уровня воды в водохранилище (рис. 8) следует, что в зимне-весенний период (с декабря по март), когда уровень воды монотонно понижается (значит, частота должна увеличиваться, так как присоединенная масса уменьшается), частота собственных колебаний в ряде случаев аномально снижается на 0.02-0.03 Гц, а по прошествии одного-двух месяцев снова увеличивается. Это явление объясняется воздействием процесса замерзания воды в зимний период и оттаивания в весенний период и снижает точность определения частот собственных колебаний ввиду неразработанности способа их учета. В частности, масса намёрзшего льда на плотине постоянно изменяется, так как регулярно происходят как дополнительное намерзание, так и откол. Глубина промерзания бетона на различных уровнях плотины также отличается в зависимости как от температуры окружающего воздуха, так и от уровня воды в водохранилище на момент регистрации колебаний. Всё это влияет на частоту собственных колебаний плотины, зачастую приводя к скачкообразным и непредсказуемым изменениям. Следует отметить, что при мониторинге частот собственных колебаний плотины Чиркейской ГЭС, расположенной в других климатических условиях (отсутствует промерзание в зимнее время), описанный эффект не наблюдается [Лисейкин и др., 2020].
Рис. 7. Зависимости частот 1-7 мод собственных колебаний плотины от уровня воды в водохранилище за 20-летний период наблюдений по спектрам записей микросейсмического шума на сейсмостанции «Черемушки».
Номер моды (1) и линейная аппроксимация зависимости (2).
Рис. 8. Изменение во времени частоты четвертой моды собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС (1) и уровня воды в водохранилище (2).
При сопоставлении графиков соотношения частот собственных колебаний плотины и уровня воды в водохранилище (рис. 8) видно, что максимумы первых запаздывают по времени относительно минимумов вторых. Аналогичное соотношение наблюдается в изменениях частот собственных колебаний плотины Чиркейской ГЭС: по результатам многомесячного мониторинга (с октября 2015 по декабрь 2016 г.) установлено, что их изменение запаздывает относительно изменения уровня воды в водохранилище на 5-11 суток [Лисейкин и др., 2020]. Это хорошо видно на графиках (рис. 9) по петлевидному соотношению частот собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС и уровня воды, разделенных по годам. Так, на графике изменения частоты 4-й моды (рис. 9а) видно, что при одном и том же уровне воды отмечаются два значения частот (например, при уровне 505 м – 2.06 и 2.13 Гц; при уровне 525 м – 2.01 и 2.05 Гц и т.д.). Причем в процессе наполнения водохранилища значения частот выше, а при понижении уровня воды (сработке) – ниже. Так же, как и в случае с плотиной Чиркейской ГЭС (рис. 9б), это происходит из-за запаздывания изменения частот собственных колебаний сооружения относительно изменения уровня воды. Причина такого запаздывания, предположительно, связана с тепловой инертностью бетона: процессы изменения уровня воды в водохранилище длятся не один месяц, за эти периоды происходит существенное изменение среднемесячной температуры окружающего воздуха, а именно от минус 10-20 °С при сработке в зимнее время до плюс 10-20 °С при наполнении в летние месяцы (рис. 10).
Рис. 9. Изменение частот 4-й моды собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС (а) и 1-й моды собственных колебаний плотины Чиркейской ГЭС (б) [Лисейкин и др., 2020] в зависимости от изменения уровня воды в водохранилищах.
Рис. 10. Графики сезонных изменений уровня воды в Саяно-Шушенском водохранилище с 2001 по 2021 г. (а) и среднемесячной температуры воздуха в 40 км с северо-запада от ГЭС (ближайшая постоянно действующая метеостанция в п. Бея по данным сайта rp5.ru) с 2005 по 2021 г. (б).
В результате анализа представленных на графике (рис. 9) изменений частоты 4‑й моды собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС в зависимости от уровня воды и в разное время года, а также сезонных изменений уровня воды и среднемесячных изменений температуры воздуха (рис. 10), выделяются четыре условных интервала (для остальных мод собственных колебаний плотины результаты анализа подобны):
1. Наполнение водохранилища водой с уровня 510 до уровня 530 м происходит, как правило, в течение 2-3 месяцев с мая по июль, характеризуется высокой скоростью наполнения (увеличение уровня воды на 20 м за период 2-3 месяца) и, соответственно, высокой скоростью монотонного снижения значений частоты собственных колебаний (примерно, на 0.1 Гц за тот же период). Среднемесячные температуры в этом периоде фиксируются положительные (от 5 до 20° С), что сопровождается активным прогреванием бетона плотины (после зимне-весеннего периода).
2. Наполнение водохранилища водой с уровня 530 до 535-539 м (в зависимости от года) и последующая сработка до уровня 530 м происходят, как правило, в течение 5-6 месяцев с июля по декабрь (до начала замерзания водохранилища). Этот этап характеризуется низкой скоростью наполнения или сработки (порядка 5-9 м за 2-3 месяца) и, соответственно, низкой скоростью изменения частоты собственных колебаний плотины (около 0.04 Гц за 2-3 месяца). Частота при этом изменяется монотонно (при увеличении уровня воды уменьшается, при уменьшении – увеличивается).
3. Сработка водохранилища с уровня 530 до уровня 510 м, происходит, как правило, в течение 3-4 месяцев с декабря по март (период, когда вода замерзает, среднемесячная температура окружающего воздуха от 0 до минус 25° С). В среднем понижение уровня воды происходит со скоростью 20 м за 3-4 месяца, частота собственных колебаний при этом увеличивается на 0.06 Гц. Однако в этом интервале изменение частоты не является монотонным: при интегральном увеличении частоты наблюдаются участки, где она внезапно снижается. Такое аномальное явление, как было отмечено выше, предположительно, объясняется связью с эффектами намерзания и откола льда и неравномерного промерзания бетона плотины.
4. Сработка водохранилища с уровня 510 до 500 м и последующее наполнение до уровня 510 м происходят, преимущественно, в течение 2-3 месяцев с марта по май. Среднемесячная температура воздуха изменяется с отрицательных (минус 10° С) до положительных (плюс 15° С), что сопровождается активным оттаиванием льда в водохранилище и оттаиванием бетона плотины. При этом фиксируется существенное отличие значений частоты собственных колебаний, определенных в период сработки и наполнения водохранилища для одного и того же уровня воды. Например, при минимальном ее уровне (500 м), частота 4-й моды изменяется на 0.05 Гц, и это изменение происходит быстро, за считанные дни (в среднем, за 10-15 дней). Из этого следует, что использование для оценки устойчивости плотины значений частот собственных колебаний при минимальном уровне воды (который происходит в период активного таяния льда) приводит к значительным погрешностям.
Из вышеизложенного следует, что для обеспечения возможности сопоставления результатов определения частот собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС, выполненных в разные годы, необходимо использовать интервалы мониторинга, при которых воздействие факторов внешней среды (прежде всего, температурных изменений) сведены к минимуму. Этому условию удовлетворяет 2‑й интервал (наполнение водохранилища водой с уровня 530 до 535-539 м (в зависимости от года) и последующая сработка до уровня 530 м), причем длительность его составляет 5-6 месяцев, с июля по декабрь.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В результате обработки записей сейсмического шума на сейсмостанции «Черемушки» за 20-летний период (2001-2021 гг.) и интерпретации изменений частот собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС с учетом воздействий на плотину внешней среды (изменение уровня воды в водохранилище, изменение температуры окружающего воздуха) по описанной выше методике установлено, что частоты первых семи мод собственных колебаний плотины, приведенные к уровню 535 м, непрерывно возрастают на 0.02-0.05 Гц (рис. 11). Это объясняется, предположительно, или процессами увеличения механической жесткости плотины, или изменения граничных условий, длящиеся десятилетиями и продолжающиеся в настоящее время. На сегодня в опубликованных исследованиях нет объяснения, с чем связано такое медленное, но постоянное увеличение значений собственных частот сооружения. В исследовании [Вульфович, Потехин, 2017] доказывается, что плотина Саяно-Шушенской ГЭС в последние годы эксплуатации (начиная с 2013 г.) перешла в так называемое «стабилизированное состояние», что проявляется в прекращении роста необратимых перемещений ее гребня по данным геодезического мониторинга. Из результатов мониторинга собственных колебаний плотины следует, что рост значений частот первых семи мод не прекращается и до настоящего времени, т.е. процесс, вызвавший этот рост, не стабилизировался. В исследовании [Александров, Юсупов, 2018] предполагается, что «адаптация плотины к своему основанию в случае плотины Саяно-Шушенской ГЭС продолжается вместо ожидаемых нескольких лет гораздо больший срок – 30 лет и более», а также «адаптационный процесс, вероятнее всего, обусловлен реологическими явлениями в бетоне плотины и основании». Таким образом, можно предположить, что наблюдаемый рост значений частот собственных колебаний плотины связан с упомянутыми «адаптационными процессами». Альтернативная версия причины упомянутого явления может быть также связана с заиливанием и накоплением наносов на дне водохранилища на участке, примыкающем к плотине, так как при этом неизбежно меняются граничные условия на контакте плотины и основания, этот процесс идет непрерывно, что и вызывает изменение частот собственных колебаний. Из публикаций неизвестно, проводились ли исследования по оценке роста мощности наносов именно вблизи плотины, но по имеющимся исследованиям [Кальная, Аюнова, 2014], процессы разрушения берегов Саяно-Шушенского водохранилища идут непрерывно, а значит наносы на его постоянно накапливаются. Какова бы ни была причина, такой продолжительный и незамедляющийся рост значений частот собственных колебаний плотины является признаком изменений состояния плотины необратимого характера, последствия которых на сегодня не установлены. Этим объясняется актуальность исследований, направленных на определение причин необратимых процессов и прогнозирование их протекания, особенно при выявлении процессов разрушительного характера.
Рис. 11. Изменения частот первых семи мод собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС, приведенных к уровню воды в водохранилище 535 м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты спектрально-временного анализа данных многолетнего мониторинга показывают, что разрушительные процессы при эксплуатации технических сооружений контролируются с использованием разработанной методики, которая основывается на выделении и интерпретации малоамплитудных сейсмических сигналов, регистрируемых станциями сейсмологической сети на расстояниях в несколько километров от объектов и включает следующие этапы:
- Спектрально-временной анализ одновременных записей сейсмостанций, расположенных в нескольких километрах от исследуемого объекта и на самом объекте для идентификации малоамплитудных сигналов, связанных с колебаниями объекта и определения оптимальных параметров цифровой обработки сейсмических записей.
- Детальное изучение колебаний объекта исследований методом когерентного восстановления полей стоячих волн — для идентификации мод и частот собственных колебаний объекта.
- Набор статистических данных, полученных в результате обработки сейсмических записей многолетнего мониторинга и их ретроспективный анализ для определения закономерностей в изменениях частот малоамплитудных сигналов в связи с воздействиями внешней среды, такими как температурные изменения, изменения уровня воды в водохранилище, промерзание/оттаивание материалов конструкций и т.п.
- Обнаружение разрушительных процессов на технических сооружениях, таких как снижение их устойчивости из-за старения материалов конструкций, образования трещин, ослабленных зон и т.п. по аномальным изменениям частот собственных колебаний сооружений.
Преимущество разработанной методики:
За счет использования накопленных многолетних (измеряемых десятилетиями) данных мониторинга в виде непрерывных цифровых записей сейсмологической сети станций появляются малозатратные, при этом достоверные данные о частотах собственных колебаний различных важных объектов (плотины ГЭС, мосты, гражданские здания и др.), что выгодно отличает ее от методик разовых измерений колебаний непосредственно на объектах исследования.
Ограниченность применения:
Малая амплитуда анализируемых сигналов (в ряде случаев на порядки ниже уровня сейсмического шума) накладывает ограничения на применимость методики: расстояние от исследуемых объектов до станций, где можно распознать выделенные сигналы составляет несколько километров (в отдельных случаях, первые десятки километров), поэтому из-за неравномерности расположения сейсмостанций и редкой сейсмологической сети в районах пониженной сейсмичности снижается количество объектов, которые могут быть исследованы.
ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (в рамках государственного задания № 075-01471-22) и с использованием данных, полученных на уникальной научной установке «Сейсмоинфразвуковой комплекс мониторинга арктической криолитозоны и комплекс непрерывного сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира».
ЛИТЕРАТУРА
Кальная О.И., Аюнова О.Д. Особенности функционирования Шагонарского плёса Саяно-Шушенского водохранилища и его влияние на экологическое состояние окружающей среды // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12 (7). – С. 1452-1462.
Александров Ю.Н., Юсупов Т.М. О причинах и длительности периода адаптации в системе «плотина-основание» Саяно-Шушенской ГЭС // Гидроэнергетика. Гидротехника. Новые разработки и технологии. Доклады XII научно-технической конференции. – 2018. – C. 3-12.
Вульфович Н.А., Потехин Л.П. Динамика изменения необратимых перемещений плотины Саяно-Шушенской ГЭС в период эксплуатации при проектных параметрах нагружения (1990 — 2016 гг.) // Гидротехническое строительство. – 2017. – №8. – С. 2-8.
Егоров А.Ю., Костылев В.С., Саранцев М.И. Определение собственных частот плотины Саяно-Шушенской ГЭС по показаниям сейсмометрической аппаратуры и расчётными методами // Гидротехническое строительство. – 2016. – № 8. – С. 45-50.
Еманов А.Ф., Селезнев В.С., Бах А.А., Гриценко С.А., Данилов И.А., Кузьменко А.П., Сабуров В.С., Татьков Г.И. Пересчет стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях // Геология и геофизика. – 2002. – Т. 43. – № 2. – С. 192-207.
Брызгалов, В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Производственное издание / В. И. Брызгалов. – Красноярск: Сибирский изд. дом «Суриков», 1999. – 561 с.
Саранцев М.И. Определение собственных частот колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС по данным инженерно-сейсмометрических наблюдений // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. – 2017. – Т. 283. – С. 72-81.
Селезнев В.С., Лисейкин А.В., Альжанов Р.Ш., Громыко П.В. Влияние работы гидроагрегатов на собственные колебания плотины Саяно-Шушенской ГЭС // Гидротехническое строительство. – 2013. – № 7. – С. 2-7.
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Бах А.А., Кречетов Д.В. Об изменении значений собственных частот плотины Саяно-Шушенской ГЭС при различных уровнях наполнения водохранилища // В сборнике: Геофизические методы исследования земной коры. Материалы Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.Н. Пузырёва. – 2014. – С. 182-186.
Еманов А.Ф., Еманов А.А., Фатеев А.В., Шевкунова Е.В., Подкорытова В.Г., Дураченко А.А., Корабельщиков Д.Г., Гладышев Е.А. Алтай и Саяны // В сборнике: Землетрясения России в 2020 году. Ежегодник. – Обнинск. – 2022. – С. 38-44.
Antonovskaya G.N., Kapustian N.K., Danilov A.V., Moshkunov A.I., Moshkunov K.A. New seismic array solution for earthquake observations and hydropower plant health monitoring // Journal of Seismology. – 2017. – Т. 21. – № 5. – С. 1039-1053.
Liseikin A.V., Seleznev V.S., Adilov Z.A. Monitoring of the natural frequencies of Chirkey arch dam // Magazine of Civil Engineering. – 2020. – V. 4 (96). – P. 15-26.
Loh, C.H., Wu, T.C. System identification of Fei-Tsui arch dam from forced vibration and seismic response data. Journal of Earthquake Engineering. – 2000. – 4(4). – Pp. 511-537. DOI: 10.1080/13632460009350381.
Mendes, P., Oliveira Costa, C., Almeida Garrett, J., Oliveira, S. Development of monitoring system to Cabril dam with operational modal analysis. The Proceedings of the 2nd Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures (EVACES). Porto, 2007.
Weng, J.H., Loh, C.H. Structural health monitoring of arch dam from dynamic measurements. 12th Biennial International Conference on Engineering, Construction, and Operations in Challenging Environments; and Fourth NASA/ARO/ASCE Workshop on Granular Materials in Lunar and Martian Exploration. – 2010. – Pp. 2518–2534. DOI: 10.1061/41096(366)235.
Hsu T.Y., Valentino A., Liseikin A., Krechetov D., Seleznev V., Chen C.C., Wang R.Z., Lin T.K., Chang K.C. Continuous structural health monitoring of the Sayano-Shushenskaya dam using off-site seismic station data accounting for environmental effects // Measurement Science and Technology. – 2020. – V. 31. – № 1. – P. 015801.
Cai, Y.; Zhang, K.; Ye, Z.; Liu, C.; Lu, K.; Wang, L. Influence of Temperature on the Natural Vibration Characteristics of Simply Supported Reinforced Concrete Beam // Sensors. – 2021. – 21. – P. 4242. https://doi.org/10.3390/s21124242
Nguyen, V.H., Mahowald, J., Schommer, S., Maas, S. and Zuerbes, A. A Study of Temperature and Aging Effects on Eigenfrequencies of Concrete Bridges for Health Monitoring // Engineering. – 2017. – 9. – P. 396-411. doi:10.4236/eng.2017.95023
3Окт, 2022
Определение устойчивости отвалов угольных месторождений по малоамплитудным сигналам собственных колебаний (на примере Елбашинского отвала Колыванского месторождения антрацита по результатам мониторинга 2017-2021 гг)
Первоисточник:
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Соловьев В.М. Определение устойчивости отвалов угольных разрезов по собственным колебаниям (по данным мониторинга на Колыванском месторождении антрацита, Новосибирская область) // Геология и геофизика. – 2023. – Т. 64, № 5. – С. 754-763.
В настоящее время естественная сейсмичность на территории России контролируется сейсмологическими станциями ФИЦ ЕГС РАН и учитывается, при принятии различных решений, федеральными и местными органами управления, опираясь на карту сейсмического районирования. В последние годы происходит значительное увеличение техногенной составляющей, при наблюдениях за сейсмическими процессами в районах угольных разрезов, но кто должен следить за этими явлениями, какие системы наблюдений должны при этом использоваться, кто и какие действия должен предпринимать, получив данные по техногенной сейсмичности, четко не определено. Выделяется два типа техногенных сейсмических воздействий от угольных разрезов, регистрируемых станциями сейсмологической сети. Первый – это импульсные или кратковременные сейсмические воздействия, весьма схожие с естественными землетрясениями, связанные разработкой больших карьеров. Второй – регистрируемые сейсмографами длительные и достаточно устойчивые во времени малоамплитудные колебания, как правило характеризующиеся определенной частотой (или полосой частот).
Если первый тип техногенных воздействий (хоть и недостаточно) изучается с использованием информации, получаемой сейчас в России, в основном, с временных сейсмологических станций (например, Бачатское техногенное землетрясение с M>6 [10]), то второй тип исследован весьма слабо, и специальных систем наблюдений для его изучения в России практически нет. Как правило, лишь после аварии выясняются ее причины [11].
Следует отметить, что техногенные шумы – это не только «вред», но и, если их грамотно использовать, большая «польза». Если у нас есть регистрирующие станции, расположенные на каком-то расстоянии от источника техногенных шумов, то на полученных этими станциями сейсмических записях есть информация об объектах, которые излучают колебания, изменениях их свойств во времени, о техническом состоянии агрегатов, работающих в этих объектах и изменениях, происходящих в среде. И эту информацию можно с успехом использовать. Как правило, большинство техногенных шумов, регистрируемых удаленными сейсмостанциями, являются малоамплитудными, длительными по времени и изменяются по каким-то определенным законам, как по интенсивности, так и по частоте. Такие сигналы можно накапливать, особенно хорошо, если известны законы их изменений.
В исследовании, на примере сейсмологических наблюдений в окрестности Колыванского месторождения антрацита (рис. 1), показывается, как накапливать малоамплитудные сигналы и какую информацию можно извлечь из техногенных шумов.
18 июля 2020 г., примерно в 21:15 местного времени, на северо-западном склоне Елбашинского отвала Колыванского месторождения антрацита произошел оползень, с предварительно оцененным объемом около 10% от массы отвала [12]. Отмечено, что деформация отвала сопровождалась мощным селевым потоком. Это также видно из фотографий, сделанных после происшествия (рис. 2). Создана комиссия по расследованию причин инцидента, которые на настоящий момент не выяснены.
АСФ ФИЦ ЕГС РАН занимается изучением сейсмической обстановки в Алтае-Саянском регионе и прилегающих территориях. Одна из станций сейсмологической сети –«Харино» (международный код KHAR) расположена в 7 км южнее Елбашинского отвала. Используя записи этой станции, будем разбираться в причинах, которые привели к образованию оползня. Мы уже давно занимается проблемами дистанционного контроля процессов, приводящих к техногенным авариям [11;13], имеем в этом направлении определенный опыт и успехи, и данный отчет – еще один шаг в этом направлении.
Рис. 1. Схема сейсмологических наблюдений на карте угольных месторождений Новосибирской области.
Рис. 2. Стоп-кадры видеосъемки после схода оползня [https://youtu.be/KhXGpzuzPCU]
Методика и данные
Чтобы понять окружающую обстановку вокруг отвала, на рис. 3 приведены спутниковые снимки, сделанные в разное время, с обозначенными отметками высот над уровнем моря для нетронутой земной поверхности. На снимке 2002 года, изображающем естественный ландшафт, видно, что на месте будущего отвала существовал временный водоток, направленный на северо-восток. К северо-западу от него находится еще один водоток, отделенный от первого водоразделом с высотой над уровнем моря в 209-223 м. На снимках 2013-2015 годов видно, что формирующийся отвал препятствовал естественному стоку вод, и в его западной части происходило обводнение. Отмечено, что в мае 2015 года, на месте временного водотока, сформировался пруд длиной около 1 км, уровень воды в котором достигал примерно 220 м, что уже тогда превышало среднюю высоту водораздела. Из снимка 2019 года видно, что временный водоток уже полностью был засыпан отвалами горных пород. К 2020 году обводненная часть отвала могла составлять первые десятки метров по высоте и около квадратного километра по площади.
Рис. 3. Спутниковые снимки Елбашинского отвала [Google Earth Pro]. 1 – отметки высот нетронутой земной поверхности; 2 – направления временных естественных водотоков
Для того чтобы оползень начал движение, нужен был лишь толчок. При анализе записей, полученных за период, охватывающий время до и после деформации отвала, не было выявлено каких-либо значимых сейсмических воздействий, которые могли бы быть достоверной ее причиной. Также не было выявлено и колебаний, вызванных движением оползня (рис. 4). Возможно, какие-то воздействия и были, но, из-за удаленности станции от отвала (7 км), их амплитуда была меньше уровня сейсмического шума. Вместе с тем, в сейсмическом шуме станции «Харино» обнаружены малоамплитудные сигналы, которые, с высокой вероятностью, могут быть связаны с колебаниями Елбашинского отвала, и интерпретация которых позволяет объяснить процессы, происходящие до и после схода оползня.
Рис. 4. Исходная запись сейсмостанции «Харино» до и после деформации.
В первую очередь, был проведен качественный анализ изменений во времени амплитудно-частотных характеристик зарегистрированных сейсмических колебаний. Для этого строились спектрограммы в виде двумерных функций, по вертикальной оси которых представлено время, по горизонтальной – частота; третье измерение является амплитудой на определенной паре частота-время и представлено цветовой шкалой (рис. 5).
Можно отметить нетипичную для станций сейсмологической сети картину шумов на низких частотах (до 0.1 Гц) – видно, что в дневное время их уровень значительно выше, чем в ночное. Вероятно, это связано с режимом техники, работающей на карьерах и перевозящей уголь. Можно предположить, что большегрузные машины создают такой уровень сейсмических колебаний, что формируются стоячие волны в объеме Горловской впадины. К сожалению, нам не удалось определить собственную частоту этих колебаний, но, по оценкам, она меньше нижнего предела технических возможностей аппаратуры (0.0083 Гц, что соответствует периоду 120 с).
Колебания в интервале частот 0.1-0.35 Гц практически не меняются по амплитуде с течением времени, известны в сейсмологии и интерпретируются как отклик колебаний волн в морях и океанах.
Наиболее интересны колебания с частотой около 0.6 Гц, которые прослеживались длительное время и непрерывно на всех компонентах записи и прервались единовременно со сходом оползня. Это вполне могут быть собственные колебания Елбашинского отвала, если для оценки значений частот руководствоваться методикой [15]. Так, линейные размеры объекта, имеющего первую собственную частоту f=0.6 Гц, могут составлять L=V/2f, где при скорости V=2.6 км/c, L≈2.2 км; эта величина хорошо совпадает с размерами отвала. Кроме этого, можно заметить, что на E-компоненте отмеченные колебания изменились: понизилась амплитуда и незначительно увеличилась частота. Вероятно, последние сигналы также связаны с колебаниями отвала, физические параметры которого поменялись после деформации.
Рис. 5. Спектрограмма сейсмических данных станции «Харино»
Предыдущими исследованиями установлено, что в записях сейсмических станций, установленных на расстояниях в несколько километров от крупных промышленных объектов (например, плотины ГЭС), содержатся сигналы, источником которых является сам объект, колеблющийся на собственных частотах. В качестве примера приведем рис. 6, на котором демонстрируется способ дистанционного мониторинга собственных частот плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Видно, что локальные максимумы спектров колебаний верхней части плотины, отражающие собственные частоты сооружения, что подтверждено в работе [13], прослеживаются и на усредненном спектре сейсмостанции «Черемушки», расположенной в 4.4 км от ГЭС (рис. 6б). Таким образом, вычисляя усредненные спектры в разное время, можно отслеживать изменения собственных частот объекта, используя данные с удаленной сейсмической станции (рис. 6в).
Необходимо отметить, что амплитуды зарегистрированных сейсмостанцией колебаний, источником которых является удаленный от нее объект, как правило имеют очень низкие значения по сравнению с фоном помех. Так, в рассмотренном выше примере, они составляют первые десятки нм/c, что на два и более порядка ниже по интенсивности, чем при регистрации на плотине. Поэтому, для выделения таких слабых сигналов необходимо применять процедуры, повышающие соотношение сигнал/шум. В ФИЦ ЕГС РАН разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее проводить анализ изменений амплитудно-частотных характеристик сейсмических записей с течением времени [16]. Одна из заложенных в нем функций позволяет рассчитывать усредненные амплитудные спектры в выбранном частотно-временном окне. Алгоритм их вычисления состоит в расчете наборов амплитудных спектров для заданных временных интервалов, на которые разделяется сейсмическая запись, с их последующем усреднением. Это позволяет, при условии достаточной длины записи, выделить из сейсмического шума полезные сигналы, имеющие квазистабильные спектры, по амплитуде на порядки ниже уровня шума. Так, для уверенного выделения сигналов, изображенных на рис. 6в, необходимо усреднять записи длительностью около суток.
Рис. 6. К способу дистанционного мониторинга собственных частот сооружения. (а) – схемы сейсмических наблюдений в окрестности и в плотине Саяно-Шушенской ГЭС; (б) – усредненные спектры одновременных записей; (в) – фрагменты усредненных спектров суточных записей сейсмостанции «Черемушки» за 2012 г.
На рис. 7 показаны фрагменты усредненных спектров, вычисленных по сейсмическим записям длиной в 5 суток до и после момента схода оползня. Видно, что после события 18.07.2020 21:15 выделенные колебания с частотой около 0.6 Гц исчезают, что позволяет связать их с колебаниями отвала. Наличие сигналов на удаленных станциях обусловлено распространением совокупности сейсмических волн от источника колебаний. Так как источник поверхностный, то большая часть энергии переносится за счет поверхностных волн Лява и Релея. Из рис. 7 видно, что амплитуда колебаний на Z-компоненте заметно ниже, чем на E- и N-, поэтому наибольшая часть энергии может быть связана с распространением волны Лява, колебания которой перпендикулярны направлению на источник. Это видно из рисунка – у станции «Харино» (KHAR), расположенной с юга от отвала, наибольшая энергия колебаний сосредоточена на перпендикулярной E-компоненте, а у станций NVS и BSTK, расположенных с северо-запада и юго-запада соответственно, амплитуды колебаний на горизонтальных компонентах имеют близкие значения. Таким образом, наблюденные особенности волнового поля на сейсмостанциях не противоречат известным представлениям о распространении сейсмических волн, а описанный прием может быть использован в дальнейшем при идентификации источников колебаний, записанных на сейсмостанциях.
Так как наибольшие по амплитуде колебания сосредоточены на Е-компоненте ближайшей к отвалу станции «Харино», а значит меньше подвержены негативному влиянию помех, дальнейшие построения и интерпретация будет производиться с использованием указанных записей.
Рис. 7. Проявление в записях сейсмостанций колебаний Елбашинского отвала Колыванского месторождения. 1 – направление на месторождение; 2 – код сейсмостанции, расстояние до отвала; 3 – усредненные амплитудные спектры пятисуточных записей до (а) и после (б) события 18.07.2020 21:15
Результаты и обсуждения
Для повышения достоверности выявленной связи колебания с частотой 0.6 Гц с Елбашинским отвалом, проанализированы архивные записи сейсмической станции за 4.5-годовой период – с 01.01.2017 по 31.07.2021 (рис. 8-9). Отвал формировали не один год, и поэтому колебания, связанные с ним, должны были прослеживаться длительное время. На рис. 8а показаны изменения фрагментов (в интервале частот 0.4-1.0 Гц) усредненных спектров десятисуточной сейсмической записи, а на рисунке 9а – соответствующие определения частот. Здесь и далее длина записи для вычисления единичного спектра составляла 200 с, что определило разрешенность спектра – 0.005 Гц. Выбрана для анализа E-компонента, как наиболее интенсивная по амплитуде, а результат усреднения соотнесен с серединой соответствующего временного интервала. Из рисунка видно, что на записях, начиная с конца 2018 г. – начала 2019 г., вплоть до момента деформации, присутствуют колебания f1 с частотами, меняющимися в пределах 0.60-0.64 Гц, которые исчезают после схода оползня. Наблюдается плавное и монотонное уменьшение частоты с течением времени. Из рисунка 8б и 9б, где представлены усредненные спектры пятисуточных записей за более короткий период наблюдений и соответствующие им определения частот, видно, что, с начала 2020 г. и до момента схода оползня, колебания f1 наблюдаются с частотами 0.60-0.61 Гц, которые затем сменяются колебаниями f2 с меньшей в несколько раз амплитудой и с частотой, повышенной до 0.620-0.625 Гц. Колебания f2 после 30.08.2020 становятся практически неразличимыми, вероятно, из-за снижения их амплитуд. Для более подробного рассмотрения изменений характеристик исследуемых колебаний были построены наборы усредненных спектров за односуточные интервалы записей и определены частоты (рисунок 8в, 9в). Видно, что, примерно за 20 дней до деформации, происходил постепенный рост амплитуд колебаний f1, а за 2 дня до оползня – их снижение. Амплитуда сменивших их колебаний f2 примерно в 5-6 раз ниже.
Рис. 8. Эволюция колебаний отвала по данным E-компоненты сейсмостанции «Харино». (а, б, в) – ряды усредненных амплитудных спектров десяти, пяти и односуточных записей, соответственно. 1 – отметка времени оползня (18.07.2020 21:15); 2 – выделенные колебания отвала
Рис. 9. Изменения частоты колебаний отвала, определенные по усредненным амплитудным спектрам десяти (а), пяти (б) и односуточных (в) записей. 1 – отметка времени оползня (18.07.2020 21:15)
Процессы, происходящие на Елбашинском отвале до и после деформации, с учетом анализа спутниковых снимков и записей сейсмической станции «Харино», объясняются следующим образом. По фотографии оползня видно, что он распространился, подобно грязевому потоку, на расстояние, существенно превышающее высоту отвала. Такое могло произойти только при условии, что породы были сильно обводнены. Как следует из спутниковых снимков, уровень воды в образовавшейся при отсыпке отвала запруде превышал основание отвала на несколько десятков метров. Площадь отвала более 2 км2, отсюда можно оценить, что в нем находилась вода объемом, не менее 7 млн. м3 (при среднем водонасыщении 10 %), которая и вытекла из тела отвала вместе с породой. Обводнение отвала являлось причиной его неустойчивости, что выражалось в его многомесячных колебаниях с частотой 0.60-0.67 Гц, характеристики которых менялись как в процессе формирования отвала, так и после деформации. Отсыпка горных пород приводила к постепенному росту массы и размеров отвала, что проявилось в постепенном уменьшении частоты колебаний с 0.67 Гц до 0.60-0.61 Гц. Сход оползня привел к уменьшению массы отвала, и этим объясняется увеличение частоты колебаний, которое составило около 3%. На столько же должна была измениться масса отвала, если на колебания не повлияли другие факторы. После деформации, огромные массы воды вместе с породой вытекли из тела отвала, и это привело к увеличению жесткости основания, что проявилось в резком уменьшении амплитуд колебаний. Вероятно, уже после оползня, какая-то часть воды постепенно продолжала выходить из отвала. Этим можно объяснить, что колебания f2 затихли примерно через месяц после события. Обводнение отвала и является основной причиной возникновения оползня. А что же явилось спусковым крючком? Какие явления способствовали его возникновению? Как отмечалось, анализ записей сейсмологической сети, окружающей месторождение, не выявил значимых сейсмических воздействий, которые могли бы спровоцировать сход оползня. Это позволяет полагать, что данная деформация возникала по сценарию «последней капли».
Заключение
Анализ данных спутниковых снимков и сейсмологических записей позволил высказать предположение о причине возникновения и развития оползня на Елбашинском отвале Колыванского месторождения антрацита, как формирование значительных горизонтальных колебаний в теле отвала, которые при сильном обводнении последнего спровоцировали сход оползня. Выделенные в отчете собственные колебания отвала позволяют теперь ставить целенаправленные работы по регистрации сейсмических шумов на подобных объектах и разбираться в связях обводненности пород с изменениями амплитудно-частотных характеристик собственных колебаний таких крупных объектов.