Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МОНИТОРИНГА СЕЙСМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ВБЛИЗИ ПЛОТИНЫ КАМСКОЙ ГЭС
Иванова Ю.В.
Пермский государственный университет, г. Пермь
Горный институт УрО РАН, г. Пермь
Введение
Создание водохранилищ нарушает сложившуюся картину геодинамических процессов, развитых ранее на площади, не только занимаемой самим водоемом, но и прилегающей к нему. Это выражается в существенной трансформации экзогенных, а в ряде случаев и в активизации эндогенных процессов.
Крупные гидротехнические сооружения относятся к особо ответственным объектам, разрушение которых может повлечь тяжелые экологические и социально-экономические последствия.
К основным факторам, влияющим на безопасность гидротехнических сооружений, относят сейсмические воздействия, обусловленные как тектоническими, так и индуцированными (техногенными) землетрясения.
По мнению многих исследователей от возбужденных землетрясений не гарантировано ни одно крупное гидротехническое сооружение, что обуславливает возможность их прогнозирования [2, 3, 9, 12, 13].
Общие сведения о районе исследования
Камское водохранилище возникло в 1956 году в результате сооружения гидроэлектростанции у г. Перми в 4 км ниже места впадения в Каму реки Чусовой.
Строительство Камской ГЭС началось почти сразу же после окончания работ на Днепрогэсе. В течение нескольких лет на берегах Камы были сооружены поселок строителей, линии электропередач, ряд вспомогательных предприятий и подведена железная дорога. Однако в 1937 г. строительство прекратилось, так как возникли сомнения в возможности осуществления проекта вследствие неблагоприятных геологических условий. Возобновилось строительство ГЭС в 1948 г.
Водохранилище расположено в центральной части Пермской области, и представляет собой сравнительно узкий, на большем своем протяжении вытянутый с севера на юг, водоем. Площадь водохранилища при нормальном подпорном горизонте составляет 1915 км2, а объем - 9,2 км3. Камское водохранилище относится к водохранилищам с сезонным регулированием стока, т.е. к таким, которые наполняются до проектной отметки за один сезон [4].
Камский гидроузел расположен в пределах города Перми и в его состав входят следующие гидротехнические сооружения:
- водосливная железобетонная плотина, совмещенная со зданием ГЭС;
- русловая земляная плотина;
- пойменная земляная плотина;
- судоходный двухниточный шестикамерный шлюз с низовым и верховым подходными каналами, оградительным молом.
Камская гидроэлектростанция находится в особых геологических условиях, т.к. коренные породы основания загипсованы и в 55-60 м от подошвы сооружения подстилаются пластом ангидритов мощностью до 120 м.
Структура региональной сети и анализ сейсмичности района Камской ГЭС
До недавнего времени Восточно-Европейскую платформу (ВЕП) и Урал относили к регионам со слабой сейсмичностью. Господствовало мнение, что территория ВЕП и Урала почти асейсмична, при этом собственные редкие землетрясения проявляются на земной поверхности толчками силой до 4-5 баллов, а большинство регистрируемых на платформе колебаний являются лишь отголосками сильных землетрясений из сейсмически активных областей, окружающих платформу.
В соответствии с нормативной картой общего сейсмического районирования ОСР-97-С район Камской ГЭС расположен в 7 бальной зоне. Строительство Камской ГЭС было выполнено без применения антисейсмических мероприятий в соответствии с действовавшими на тот период строительства нормативными документами.
В первые годы после создания Камского водохранилища и в последующие десятилетия трудно установить его роль в изменении сейсмического режима региона, так как специальных наблюдений не проводилось.
По результатам высокоточного нивелирования скорость опускания Камского водохранилища достигает 6.9 мм/год. Полагается, что одной из причин этих вертикальных отрицательных перемещений земной коры является комплексное влияние различных типов техногенного воздействия на геологическую среду [11].
Контроль за природной и техногенной сейсмичностью на территории Западного Урала выполняется объединенной региональной сейсмологической системой, включавшей следующий комплекс сейсмостанций и локальных сетей сейсмоконтроля [10]:
- федеральная сейсмостанция "Соликамск";
- региональные сейсмостанции "Кизел", "Добрянка" и "Романово";
- локальные сети сейсмоконтроля на рудниках СКРУ-1, СКРУ-2 и СКРУ-3 ОАО "Сильвинит" в составе 20 подземных сейсмопавильонов;
- локальные сети сейсмоконтроля на рудниках БКРУ-1, БКРУ-2 и БКЗ-4 ОАО "Уралкалий" в составе 13 подземных и 1 наземного сейсмопавильонов.
Сейсмические системы наблюдений всех уровней тесно увязаны между собой и дополняют друг друга. Каждая система проводит наблюдения на своем уровне и одновременно получает информацию, которая в дальнейшем используется в системе более высокого уровня.
Приведенная на рис. 1 карта дает представление как о конфигурации системы сейсмологических наблюдений на территории Пермской области, так и о предельных возможностях регистрации землетрясений. Можно видеть, что развернутая к настоящему времени Западно-Уральская сеть станций позволяет обеспечить для всей территории области надежную регистрацию всех землетрясений, начиная с магнитуды 2.5. Треугольник из трех региональных сейсмостанций "Романово" - "Кизел" - "Добрянка" на сегодняшний день обеспечивает магнитудный порог Мпор = 1.6 для района г. Перми.
Для повышения регистрационных возможностей сейсмологического контроля в данной зоне необходимо развертывание локальной системы наблюдений.
К рассматриваемой зоне приурочен эпицентр крупного землетрясения, произошедшего в 1798 вблизи н.п. Насадка [8]. Магнитуда этого землетрясения составила 5.3, расстояние до Камской ГЭС - 35 км.
Таким образом актуальность проведения мониторинга сейсмических процессов, происходящих, в пределах зоны расположения Камской ГЭС, обосновывается следующими обстоятельствами:
- при проектировании и строительстве сила возможного сотрясения принималась 5 баллов при реально возможном сотрясении 7 баллов, т.е. на 2 балла ниже, максимальная магнитуда предполагаемого сейсмического воздействия может составить 5.5;
- объект за счет амортизации и старения частично утратил проектную прочность, и тем самым может быть поврежден и при более слабых сейсмических воздействиях.
Влияние природных и техногенных факторов на уровень микросейсмических шумов
Эффективность регистрации разномасштабных сейсмических событий в значительной степени определяется уровнем микросейсмических шумов в местах расположения сейсмостанций. Изучение структуры и характера микросейсмических шумов позволит в дальнейшем найти способы для их устранения.
В 2001 и 2002 гг. были проведены специальные исследования по количественной
оценке микросейсмических шумов на различных участках вблизи плотины Камской
ГЭС.
Наблюдения проводились в несколько этапов. Пункты наблюдений находились:
- в теле плотины Камской ГЭС;
- в п. Заозерье (8 км от плотины);
- в микрорайоне Голый Мыс (18 км от плотины);
- в микрорайоне Костарево (13 км от плотины);
- в окрестностях Чусовского моста (7.5 км от плотины).
Расположение измерительных пунктов приведено на рис. 2. На каждом измерительном пункте осуществлялась регистрация микросейсмических шумов от нескольких часов до нескольких суток.
При проведении измерений использовался мобильный цифровой многоканальный сейсмометрический комплекс [1], включающий сейсмические датчики СМ3-КВ, кабельные линии связи с выносным распределителем, регистрирующий модуль с блоком фильтров и усилителей и платой АЦП, GPS-приемник и блоки автономного питания. Прием и запись данных осуществлялась разработанной в Горном институте программой RecWin. Частота регистрации 91 Гц позволила выполнить анализ скоростей смещения в диапазоне до 45 Гц.
Измерялась вертикальная компонента скорости смещения. Для оценки уровня микросейсмических колебаний использовались среднеквадратические значения амплитуд. Результаты сравнительного анализа уровней микросейсм для объектов с разным уровнем природных и техногенных шумов представлены в таблице ниже по тексту.
Среднеквадратический уровень микросейсм в теле плотины изменяется от 500 до 9000 мкм/с. Эти значения примерно на четыре порядка превышают значения уровня микросейсм в пунктах наблюдения Заозерье, Голый Мыс, Костарево и в окрестностях Чусовского моста.
Для анализа структуры микросейсмического поля были выбраны 15-минутные интервалы на записях вертикальных компонент для различных пунктов наблюдения. Рассчитанные для этих интервалов спектры мощности микросейсмических шумов приведены на рис. 3. Приведенные спектры мощности дают общую характеристику микросейсмических шумов.
Среднеквадратические амплитуды микросейсм для различных природно-техногенных объектов
|
Структуру микросейсмического поля можно представить, как сумму разночастотных сейсмических сигналов.
В области низких частот (0.1 - 0.3 Гц) фиксируются штормовые микросейсмы,
обусловленные стоячими волнами на поверхности водных бассейнов на расстояниях
в тысячи километров. Энергия штормовых микросейсм для различных станций
отличается не существенно, что указывает на достаточно высокую достоверность
результатов оценки уровня микросейсмического шума.
Локальные особенности микросейсмических шумов, вызванные работой Камской ГЭС, начинают проявляться с частоты 0.5 Гц.
Поле микросейсм, образующееся при вращении турбин гидроэлектростанции и представляет собой сложный сигнал, состоящий из суперпозиции частот: основного тона и кратных обертонов - с разными амплитудами и фазовыми сдвигами. Причем частоты колебаний жестко связаны: частота электротока в сети составляет около 50 Гц (допускаемые вариации частоты сети 1%), частота основного тона (вращения турбины) 50/n Гц, n - количество пар полюсов генератора. На Камской ГЭС частота вращения турбин составляет 62.5 об/мин (48 пар полюсов) или 1.04 Гц. 4 лопасти турбины созда-ют мощную гармонику, имеющую частоту 8.33 Гц, а 8 подпятников соответственно 16.66 Гц. Частоты кратных обертонов составляют соответственно 2.083, 4.16, 6.24, 8.33, 10.4, 12.48 Гц и т.д. [5, 6].
Частота вращения одного из компрессоров составляет 2925 об/мин или 48.75 Гц, частота вращения второго компрессора - 500 об/мин или 8.33 Гц.
По амплитуде в спектре мощности на плотине Камской ГЭС доминируют гармоники
8.33, 16.66, 24.96 Гц, которые обусловлены работой, как турбин, так и
компрессора.
В окрестностях Чусовского моста, п. Заозерье доминирует гармоника 8.33, 16.66, 24.96, часть кратных обертонов связанных с работой ГЭС в спектре мощности уже не прослеживается. С удалением пунктов наблюдения от плотины Камской ГЭС в спектрах мощностей начинают доминировать другие частоты. Так для пункта наблюдения расположенного в микрорайоне Костарево преобладает частота 12.45, связанная с работой ТЭЦ. В пункте наблюдения Голый Мыс доминирует частота 14.24, вызванная работой местной дробильной установки.
Спокойные фоновые колебания чередуются с участками аномальных сейсмических возмущений, представляющих собой цуги колебаний длительностью 1 -2 минуты, связанные с движением железнодорожного и автотранспорта. Анализ суточных интервалов записи показал, что в дневные часы уровень микросейсмических шумов на порядок выше, чем в ночные часы, что связано с "жизнью города".
Сопоставление данных на разных расстояниях позволило оценить коэффициенты поглощения для выделенных гармоник. Кривая, соответствующая уравнению убывания амплитуд в зависимости от частоты в диапазоне 1 ÷ 20 Гц (для удаления датчиков от плотины на 8 км), показана на рис. 4. Полученные данные указывают на приблизительную линейную зависимость коэффициента поглощения от частоты.
Анализ имеющихся данных позволил установить, что в поле микросейсмических шумов вносят свой вклад большое количество различных источников.
Установленные особенности некоторых техногенных источников шума, позволят в дальнейшем учесть их при обработке данных. Так, при движении железнодорожного или автотранспорта возможна временная выборка невозмущенных участков записи. В случаях, когда источник шума стационарен, то одним из способов оптимизации наблюдений является регистрация шумов на определенном расстоянии.
Проектирование локальной сейсмологической сети
Выбор места локальной сейсмологической сети в зонах градопромышленных агломераций представляет собой сложную задачу. Высокий уровень сейсмических помех, связанных с жизнедеятельностью крупного промышленного центра, резко ограничивает чувствительность аппаратуры, что в свою очередь затрудняет регистрацию слабых сейсмических событий. Пункты наблюдений расположенные на удалении от города, где промышленные помехи уже не чувствуются, перестают фиксировать слабые сейсмические события.
Так при выборе местоположения пунктов наблюдения локальной сети учитывалась
удаленность от источников шумов (железных и автомобильных дорог, Камской ГЭС и
прочих промышленных объектов).
Проведенный сравнительный анализ уровня микросейсмических колебаний для пунктов наблюдения, расположенных на различном удалении от Камской ГЭС, а также изученная структура микросейсмического поля позволили предварительно выбрать местоположение пунктов наблюдения для локальной сети сейсмологического контроля. Полученные в ходе анализа данных среднеквадратические амплитуды скоростей смещения позволили рассчитать регистрирующие возможности для двух вариантов локальных сетей расположенных вблизи Камской ГЭС (рис. 5).
Расчеты основываются на предположении, что сейсмическое событие должно быть зарегистрировано как минимум три пункта наблюдения. При удалении пунктов наблюдения на 6 км (рис. 5, а) от плотины магнитудный порог Мпор для района Камской ГЭС составит 0.8 и выше, что в энергетическом эквиваленте составляет 500 кДж. Но близость источников шума, затруднит выделение полезного сигнала на фоне шумов. Удаление же пунктов наблюдения на 16 км от плотины (рис. 5, б), где техногенные помехи уже не чувствуются, обеспечить более низкий уровень микросейсмических шумов. Но повысится вероятность пропуска слабых сейсмических событий, понизится точность локации и определения параметров очагов вследствие большой их удаленности. Магнитудный порог Мпор для удаления пунктов наблюдения на 16 км понизится и до 1 и выше, что в энергетическом эквиваленте составляет 1000 кДж.
Выводы
Территория Камского водохранилища и его окрестностей является потенциально сейсмоопасной. На этой территории возможны землетрясения значительной интенсивности. На активные геодинамические процессы, происходящие в этой зоне, указывает резкое опускание большого участка Камского водохранилища. Так же на упомянутой территории имеется ряд промышленных объектов, аварии на которых могут обернуться социальными и экономическими катастрофами.
Эти обстоятельства указывают на необходимость проведения мониторинга сейсмических процессов, происходящих вблизи плотины Камской ГЭС.
Подрисуночные надписи:
Рис. 1. Структура сейсмологической сети на территории Западно-Уральского региона и ее предельные возможности
Рис. 2. Расположение пунктов регистрации микросейсмических шумов: 1 - плотина Камской ГЭС, 2 - п. Заозерье, 3 - Чусовской мост, 4 - Костарево, 5 - Голый Мыс
Рис. 3. Спектры мощностей микросейсмических шумов для различных пунктов наблюдения (а - Камская ГЭС, б - Голый мыс, в - Чусовской мост, г - Заозерье, д - Костарево, е - с/с 'Добрянка')
Рис. 4. Зависимость коэффициента поглощения от частоты
Рис. 5. Структура локальной сейсмологической сети вблизи плотины Камской ГЭС и ее предельные возможности
Использованные источники:
1. Бутырин П.Г., Алехнович К.В., Савинов А.С. Мобильный комплекс для многоканальных сейсмологических наблюдений //Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезных ископаемых. Сборник докладов. Пермь: Горный институт УрО РАН, 2002. -С.47-49.
2. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду. М.: Наука, 1986. -368с.
3. Гупта Х., Растоги Б. Плотины и землетрясения. М.: Мир, 1979. 255с.
4. Дубровин Л.И. Камское водохранилище. -Пермь, 1959. -160с.
5. Иванова Ю.В. Изучение микросейсмических шумов в теле плотины Камской ГЭС //Третья Уральская молодежная школа по геофизике. Сборник докладов. -Екатеринбург: УрО РАН, 2002. -С.42-44.
6. Иванова Ю.В. О влиянии Камской ГЭС на уровень микросейсмических шумов. //Геология и геоэкология, исследования молодых. Материалы XIII молодежной конференции. "Минералогия, кристаллография, полезные ископаемые и геофизика, петрофизика" Т2. -Апатиты: ООО "Апатит-Медиа", 2002. -С.139-140.
7. Карта общего сейсмического районирования ОСР-97-С.
8. Кашубин С.Н., Дружинин В.С., Гуляев А.Н., Кусонский О.А., Ломакин В.C., Маловичко А.А., Никитин С.Н., Парыгин Г.И., Рыжий Б.П., Уткин В.И. Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. -126с.
9. Левкович Р.А., Идармачев Ш.Г. Сейсмичность района Чиркейского водохранилища в период его заполнения //Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим, М.: Наука, 1977, 190с.
10. Маловичко А.А., Дягилев Р.А., Шулаков Д.Ю., Бутырин П.Г., Баранов Ю.В. Мониторинг природной и техногенной сейсмичности на территории Западно-Уральского региона //Геофизика и математика: Материалы Второй Всероссийской конференции. Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. -С.367-371.
11. Маловичко А.А., Новоселицкий В.М., Ипатов Ю.П. Отчет "Систематизация и анализ геологических, геофизических, геодезических и сейсмологических данных по территории Западно-Уральского региона и развертывание сети сейсмического мониторинга". Пермь: фонды Горного Института УрО РАН, 1991. -154с.
12. Николаев Н.И. О состоянии изучения проблемы возбуждения землетрясений, связанных с инженерной деятельностью //Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. М.: Наука, 1977. -С.8-21.
13. Природные опасности России. Сейсмические опасности. /Под ред. Соболева Г.А. - М.: Издательская фирма "КРУК", 2002. -296с.
© 2003 Юлия В. Иванова
