Конструкции элементов грунтовых плотин, обеспечивающих надежную работу ГТС в условиях марганцевого заиления

Одной из широко известных причин выхода из строя дренажей является их хемогенное заиление. Настоящая статья посвящена проблемам заиления дренажных систем нерастворимыми соединениями марганца. Высокое содержание марганца в поверхностных, грунтовых и подземных водах характерно для многих регионов РФ, а также ближнего и дальнего зарубежья. В частности, воды с высоким содержанием марганца широко распространены в бассейне р. Кама, где расположен Воткинский гидроузел, водоприемная способность коллекторно-дренажной системы грунтовых плотин которого в настоящее время значительно снижена из-за обильного загрязнения всех её элементов гидроксидами и оксидами марганца.

В 1998 г. впервые при полевом обследовании дренажа привлекли к себе внимание специалистов ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» довольно мощные, плотные, густого черного цвета отложения в дренажном коллекторе плотины № 2. Химический анализ, выполненный в лаборатории фильтрационных исследований им. акад. Н. Н. Павловского ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», показал, что материал отложений практически нацело представлен оксидом марганца (Mn0₂).

В течении последующих лет службой эксплуатации ГЭС отмечались выходы фильтрационных вод на пойме за плотиной № 2 и вымочки на откосах, сначала лишь в период высокого стояния уровней воды в верхнем бьефе. После снижения уровня воды в верхнем бьефе неблагоприятные водопроявления исчезали. К 2003 г. выходы фильтрационных вод на пойме за плотиной № 2 проявлялись уже в виде луж и ручейков, а на приплотинной части поймы— в виде вымочек, заполненных водой, и заболоченных массивов.

Впервые осенью 2003 г. уровень воды в одном из смотровых колодцев поднялся на 1,7 м, достигнув отметки поверхности земли 74,50 м. Позднее, в 2003— 2004 гг. проведенные исследования показали, что причиной закупорки коллектора являются скопления хемогенных марганцевых отложений, повсеместно распространенных в дренаже плотины № 2.

Результаты натурных наблюдений свидетельствуют о том, что в последние годы наблюдается устойчивый подъем депрессионной поверхности в теле грунтовых плотин, средние значения напоров растут со скоростью 1‑3 см в год [1, 2].

Очевидно, что частичное заиление или полная закупорка отводящих трактов дренажей (закрытых и/или открытых коллекторов), полостей дренажных труб, кольматаж водоприемных отверстий в трубах и стыковых зазоров между ними, обратных фильтров и придренной области грунта марганцевыми отложениями ведет к уменьшению водоприемной и транспортирующей способности дренажа, частичному или полному выходу его из строя, что в свою очередь может привести к нарушению надежности грунтовой плотины в целом [3]. Так в 2004 г. на одном из участков полное перекрытие полости коллектора привело к затоплению смотровых колодцев, выходу фильтрационных вод на дневную поверхность с подтоплением нижнего бьефа.

Анализ полевых и лабораторных исследований, проведенный нами [4, 5], показал, что определяющими факторами, приводящими к интенсивному марганцевому заилению дренажа и уменьшающими его работоспособность, являются:

Высокие (до 18 мг/л) концентрации ионов марганца в дренируемых подземных водах. При этом концентрации, относимые по классификации степени опасности заохривания соединениями железа к слабым, также необратимо снижают работоспособность дренажа, приводя к закупорке дренажных отверстий марганцевыми отложениями.
Совместное отведение закрытым дренажным коллектором кислородсодержащих фильтрационных вод и подземных вод с высоким содержанием ионов марганца.
Струйный излив воды в полость коллектора через многочисленные дренажные отверстия при малых значениях расхода, ведущий к дополнительному насыщению воды кислородом воздуха.
Расположение дренажных отверстий в зоне переменного уровня воды в коллекторе.
Малые уклоны дренажного коллектора.
Подпорный режим движения потока в дренажном и отводящем коллекторах с малыми скоростями потока, где, как в отстойнике, создаются благоприятные условия для выпадения в осадок, формирования и накопления марганцевых отложений.
Строительный мусор, ПГС, песчаные частицы, просыпавшиеся или оставленные в ходе строительства в полости дренажного коллектора, не только способствуют образованию застойных зон, но и являются ядрами, на которых более интенсивно происходит формирование марганцевых отложений.

Учитывая характер образования, транспортирования и отложения соединений марганца в полости труб дренажного и отводящих коллекторов, нами предложен комплекс мероприятий по предупреждению формирования или минимизации влияния марганцевых отложений на работу дренажного коллектора и обратного фильтра грунтовых плотин Воткинской ГЭС [5]. Данный комплекс включает:

Предотвращение поступления богатых марганцем вод в дренаж путем реконструкции неэффективно действующих и устройства дополнительных разгрузочных скважин.
Снижение уровня воды в водоемах и водотоках, расположенных в непосредственной близости от коллекторно-дренажной сети, способствующих формированию подпорного режима движения потока грунтовых вод.
Недопущение подпорного режима движения воды с малыми скоростями потока в полости дренажного и отводящих коллекторов (если создание такого режима не включено в схему самопромывной работы дренажа).
Регулярные осмотры полости труб дренажного и отводящих коллекторов, а также водоприемных отверстий.
Организацию профилактической очистки отстойников смотровых колодцев и полостей коллекторов от заиления.

Систематизация подходов к решению проблемы марганцевого заиления дренажей напорных сооружений Воткинской ГЭС, а также опыт путей решения проблем хемогенного заиления в водоподготовке и мелиорации [6, 7, 8], позволила разработать основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в подобных условиях.

Основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления марганцевыми отложениями, определяются созданием режимов работы, предотвращающих или минимизирующих процессы окисления в дренируемых водах и образование нерастворимых марганцевых соединений, а также обеспечивающих работоспособность дренажей.

На блок-схеме представлены предложенные авторами принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления марганцевыми отложениями, где выделено два основных направления решения проблемы: активное и пассивное.

Активные решения направлены на создание режимов работы, исключающих возможность протекания процессов окисления в элементах дренажного обустройства плотин.

Пассивные решения направлены на продление срока службы гидротехнических сооружений путем создания в дренажных конструкциях резервных и дополнительных объемов, аккумулирующих марганцевые отложения или путем периодического удаления отложений из полостных элементов системы.

В таблице представлена классификация конструкций элементов грунтовых плотин, обеспечивающих надежную работу ГТС в условиях марганцевого заиления, разработанных на основе предложенных принципов конструирования.

К активному направлению конструирования можно отнести создание дренажных систем, обеспечивающих раздельное отведение марганецсодержащих и кислородсодержащих дренажных вод и создание анаэробных условий работы дренажных устройств. Работа данных конструкций направлена на полное исключение возможности контакта ионов марганца с растворенным в воде кислородом и, тем самым, на предотвращение формирования марганцевых отложений.

Раздельное отведение марганецсодержащих и кислородсодержащих дренируемых вод может быть достигнуто:

созданием противофильтрационных контуров, разделяющих потоки с повышенным содержанием ионов марганца и растворенный кислород;
снижением базиса разгрузки марганецсодержащих вод водопонижающими установками или дренажами, отводящими эти воды в нижний бьеф по отдельному тракту;
перераспределением тока марганецсодержащих вод барражными системами;
осаждением марганца в толще грунта вне зоны дренажа.

Противофильтрационные контуры, разделяющие потоки, могут представлять собой системы, вертикальных, горизонтальных, наклонных, комбинированных элементов (поз. 1.1). Кроме того, в состав общего противофильтрационного контура плотины могут быть включены естественные слабоводопроницаемые инженерно-геологические элементы основания (поз. 1.3). Решение о применении данного варианта разделения потоков должно приниматься на стадии предпроектных изысканий и выбора варианта конструкции плотины. Внедрение предложенного конструктивного принципа на стадии эксплуатации имеет существенные ограничения, а для ряда конструкций вообще невозможно.

Снижение базиса разгрузки марганецсодержащих вод может быть достигнуто устройством системы полей разгрузочных скважин, установленных в горизонт марганецсодержащих вод, а также устройством других типов дренажа (лучевого, галерейного, веерного и др.) (поз. 1.2, 1.5). Устройство некоторых видов дренажа возможно только в период строительства ГТС, например, дренаж галерейного типа. Некоторые другие виды дренажа могут быть построены без вывода ГТС из эксплуатации в условиях напорной работы сооружения (вертикальный, лучевой и др.).

Использование барражных систем позволяет выполнить отжатие марганецсодержащих вод специальной водонагнетательной системой, подающей в пласт основания воду из верхнего бьефа сооружения (поз. 1.4). Наиболее целесообразно данную конструкцию реализовывать по проекту в процессе строительства ГТС.

В основу схемы осаждения марганца в толще грунта вне зоны дренажа положен внедренный на ряде станций водоснабжения метод деманганации (обезжелезивания) подземных вод путем искусственного создания в водоносном пласте на участках водозабора зон, резко отличающихся по окислительно-восстановительным условиям от природных. При искусственном насыщении подземных вод кислородом в водоносном марганецсодержащем пласте формируются зоны, в пределах которых происходит интенсивное окисление и осаждение марганца (железа). Такая зона создается закачкой в пласт через скважины или другие устройства расчетного расхода воды, не содержащей ионов марганца и насыщенной кислородом (поз. 1.6).

Для создания анаэробных условий работы дренажных устройств используют подтопление дренажа за счет устройства специальных гидрозамков (поз. 2.1), обеспечивающих работу дренажа в подтопленном режиме, либо путем заглубления водовыпусков под уровень нижнего бьефа (поз. 2.2). Данные схемы обеспечивают прекращение поступления кислорода в зону дренажа, что предотвращает процессы окисления и формирование марганцеворудных отложений не происходит. Создание анаэробных условий работы дренажных устройств возможно только на стадии проектирования дренажных систем.

К пассивному направлению конструирования отнесены самопромывные дренажные системы, системы с периодической механической очисткой отложений спецмашинами, конструкции с запасными габаритами на заиление, а также сборно-разборные конструкции дренажей.

Изменение условий накопления уже образовавшихся нерастворимых марганцевых отложений основывается на создании специальных конструкций дренажа, которые обеспечивают самоочистку полостных элементов дренажных конструкций. При этом возможны два варианта удаления марганцевого наилка:

организация периодических залповых сбросов с использованием: аккумулированной энергии воды верхнего (поз. 3.1) или нижнего
(поз. 3.2) бьефов; зарядкой накопительной емкости промывного устройства (шлюкера) при сезонных повышениях уровней депрессионной поверхности в теле плотины (поз. 3.3); регулирование уровней в дренаже подпорными устройствами (поз. 3.4);
проектирование дренажных конструкций с гидравлическими параметрами, обеспечивающими транспорт дренажных вод со скоростями потока, при которых оседание выпавших в осадок частиц невозможно (поз. 3.5).

Также к пассивным конструктивным решениям относится создание дублирующих дренажных систем, поставленных в режим «ожидания» (поз. 4.1). Данные системы могут быть устроены во время строительства ГТС, а также с определенными ограничениями и в период эксплуатации. Создание очертаний грунтовых ГТС, рассчитываемых с учетом наращивания профиля в процессе увеличения заиленного объема (поз. 4.2), возможно путем выполнения соответствующих пригрузок низового откоса, его уположения и др., что необходимо учитывать уже на стадии проектирования. Создание дренажей и их элементов с запасным габаритом объема заиления обеспечивает надежную работу сооружения благодаря повышенной водоприемной и водопропускной способности и должно предусматриваться на стадии проектирования (поз. 4.3). Необходимо отметить, что данные решения при их внедрении на стадии эксплуатации требуют значительных объемов земляных работ, а работоспособность запасных и наращиваемых габаритов также ограничена во времени, что является их существенным недостатком. Применение конструкций, имеющих запасные объемы на заиление, без проведения периодических очисток гидравлическими (поз. 4.1— 4.3) или механическими (поз. 5.1) способами полостей дренажа от марганцевых отложений, приведет к значительному и необоснованному сокращению срока работы дренажной системы.

Применение сборно-разборной конструкции дренажа позволяет по мере необходимости заменять «загрязненные» блоки на «чистые» (поз. 5.2). Создание специальных конструкций дренажа должно быть предусмотрено на стадии проекта.

Некоторые виды этих конструкций и методов борьбы с марганцевым заилением дренажа реализованы на Воткинской ГЭС. Это решения, относящиеся к пассивным направлениям конструирования: дренажные трубы с запасным габаритом пропускной способности
(т. к. фактические дренажные расходы оказались меньше проектных), понижение пьезометрических уровней путем устройства системы вертикальных скважин и снижения уровней поверхностных и грунтовых вод в пойме грунтовых плотин, строительство дублирующей нитки дренажа, проходящей над трассой проектного дренажа, на одном из участков грунтовой плотины. Однако все эти мероприятия обладают отмеченными выше недостатками, т. е. работоспособность дублирующего дренажа будет ограничена во времени

Наиболее применимым для условий Воткинской ГЭС решением, которое значимо уменьшило бы проблему марганцевого заиления дренажа грунтовых плотин, нам представляется, является устройство системы веерного дренажа, строящегося из вертикальных шахт методом горизонтального бурения и работающего в подтопленном режиме. Данная конструкция может быть внедрена без вывода объекта из эксплуатации на период ремонта.

Накопленный нами опыт показывает, что необходимо уже на стадии изысканий и проектирования грунтовых гидротехнических сооружений на территориях с сильно минерализированными грунтовыми водами более внимательно относиться к потенциальным проблемам, которые могут быть вызваны хемогенным заилением, и принимать соответствующие адекватные меры ещё до их проявления. Только при этом условии возможен выбор наиболее оптимального варианта конструкции плотины без увеличения в дальнейшем затрат на эксплуатацию.

Выводы

На основе выполненного анализа факторов, влияющих на образование марганцевого заиления элементов грунтовых плотин, разработан комплекс методов и подходов к решению обеспечения работоспособности дренажной системы гидротехнического сооружения.
Выделены два основных принципа конструирования дренажей напорных грунтовых сооружений, эффективных в данных условиях: активный— направленный на предотвращение окислительных процессов в зоне дренажа, и пассивный— направленный на продление срока службы ГТС путем создания в дренажных конструкциях резервных и дополнительных объемов аккумуляции марганцеворудных отложений или цикличного восстановления их эффективности.
На основе предложенных принципов конструирования разработаны и классифицированы дренажные конструкции, позволяющие предотвратить формирование марганцевых отложений, минимизировать их проявления и, тем самым, обеспечить надежность и работоспособность сооружения.

Список литературы

А. В. Гинц, М. Г. Лопатина, И. Н. Гусакова, В. Ф. Фисенко. Проблема хемогенного заиления дренажа грунтовых плотин Воткинской ГЭС. // Гидроэнергетика. Тезисы докладов научно-технической конференции. С-Пб.: Издательство ВНИИГ им. Веденеева. 2005 г.
Фисенко В. Ф., Деев А. П. Рекомендации по организации натурных наблюдений на эксплуатируемых ГТС с учётом опыта Воткинской ГЭС. // Безопасность энергетических сооружений. 2005. вып.15.
Сольский С. В. Основные технические решения по ремонту и реконструкции дренажа грунтовых плотин.— // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, т.243. 2004, С.193— 203.
Лопатина М. Г. Оценка влияния марганцевого загрязнения на фильтрационные свойства грунтового материала тела и обратного фильтра плотины № 2 Воткинской ГЭС. // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева Т. 246, 2007. С. 30— 38.
Лопатина М. Г. Разработка принципов дренажного обустройства грунтовых плотин в условиях хемогенного заиления. // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева Т. 252, 2008. С.40— 49.
Мурашко А.И., Сапожников Е. Г. Защита дренажа от заиления. // Минск. Из-во «Ураджай», 1978. 252 с.
Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНиП 2.04.02— 84) — М: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. 128 с.
Кулаков В. В., Сошников Е. В., Чайковский Г. П. Обезжелезивание и деманганация подземных вод: Учебное пособие— Хабаровск: ДВГУПС, 1998.— 100 с.

Полная версия статьи