Технологии и Материалы: Техногенное воздействие железнодорожного транспорта на плотину Братской ГЭС

Аннотация

В статье исследуется техногенное воздействие железнодорожного транспорта на земляную плотину и конструкции Братской ГЭС. Приводятся результаты инструментальных измерений параметров сейсмических колебаний, возбуждаемых под воздействием поездной нагрузки, — амплитуды вибросмещений, виброскоростей и виброускорений на различных расстояниях от движущегося железнодорожного транспорта. Выполнена оценка сейсмической интенсивности от поездной нагрузки различного типа.

Железнодорожные путь, проходящий по гребню плотины Братской ГЭС, был сооружен в 1967 году и на тот момент времени полностью удовлетворял требованиям интенсивности движения поездной нагрузки и соответственно расчетным динамическим нагрузкам. Но в настоящий момент интенсивность движения превышена почти на порядок. По своим параметрам и техническим данным отрезок железнодорожного полотна, проходящего по плотине, не справляется с тем грузопотоком, который идет в сторону БАМ.

Хотя на плотине скорость движения составов снижается до максимально допустимой, а на подходе они простаивают, дожидаясь своей очереди, тем не менее проходящий по плотине автомобильный и железнодорожный транспорт может служить источником опасных техногенных воздействий на земляные плотины и конструкции Братской ГЭС.

Особое внимание следует обратить на правобережную земляную плотину на участке ПК-41-51, который по сейсмической опасности отнесен к 7-балльной зоне. Зона с сейсмической опасностью до 7 баллов в основании плотины выделена в основном из-за высокого стояния уровня грунтовых вод – менее 5 метров. Участок характеризуется мощностью рыхлых отложений от 23 до 43 м и глубиной залегания уровня грунтовых вод от 3 до 5 м. Преобладающие частоты указанной рыхлой толщи находятся в пределах от 2 до 4 Гц. Расчеты на максимально расчетное землетрясение показывают, что данный участок может подвергаться сейсмическим воздействиям до ~110 см/с2 [2].

Чтобы максимально снизить риск возникновения чрезвычайных ситуаций на Братской ГЭС, то того момента, когда будет построен мост, проводятся специальные исследования, по результатам которых определяется оптимальный график движения железнодорожных составов с учетом ограничения скорости движения, исходя из предположения, что увеличение скорости движения ведет к увеличению динамических нагрузок.

Данные таких исследований также необходимы при решении ряда вопросов, связанных с проектированием и строительством моста, который предполагается разместить в нижнем бьефе плотины ГЭС. При этом необходимо отметить, что к настоящему времени нет определения критерия сейсмического действия железнодорожного транспорта по его допустимому (или недопустимому) значению.

Аппаратура и методика измерений

Для регистрации сейсмических колебаний использовались 3-канальные цифровые инженерно-сейсмометрические станции Байкал-7HR. В комплекте с сейсмодатчиками А1638 и ОСП-2М измерительные каналы станций способны регистрировать ускорение колебаний грунта в диапазоне частот 0,1–150 Гц и диапазоне амплитуд ускорений 0,01–400 см/с2. Все измерительные каналы прокалиброваны на виброплатформе, что позволяет измерять сигналы в абсолютных уровнях ускорений. Обработка записей проводилась с помощью специализированной программы для анализа сейсмологической информации. Определение скоростей смещений (виброскоростей) или вибросмещений выполнялось на основе численных методов с использованием операции интегрирования.

Для записи колебаний грунта сейсмические станции были расставлены на правобережной земляной плотине и в ее основании. Сейсмодатчики ориентировались относительно железнодорожной насыпи: Х – радиальная, У – тангенциальная, Z – вертикальная компоненты. В сейсмологии для оценки сейсмического эффекта используются различные параметры сейсмических колебаний: смещение, скорость смещения, ускорение. По аналогии с этим и учитывая, что колебания грунта в нашем случае связаны с вибрациями при обработке, будем определять следующие вибропараметры: амплитуды виброускорений (Ах Ау, Аz), виброскоростей (Vx, Vy, Vz) и вибросмещений (Dx, Dy, Dz). Наибольший результирующий параметр определяется с учетом всех компонент. Например, максимальная результирующая виброскорость определяется как:

001

где Vx, Vy, Vz – максимальные значения амплитуд виброскорости на компонентах x, y, z.

Максимальная векторная скорость широко применяется для оценки сейсмического действия взрывов и в отличие от мгновенной векторной скорости максимальные амплитуды на компонентах здесь могут проявляться в различное время.

Амплитуды, спектральный состав и распространение вибраций от поездов, проходящих по земляной плотине Братской ГЭС

Допустимые динамические (сейсмические) нагрузки от подвижного состава определяются рядом факторов, зависящих от источника вибраций и типа охраняемого объекта: железнодорожная насыпь, инженерные коммуникации, технологическое оборудование. Для железнодорожных насыпей уровень динамического воздействия принято определять виброускорением. Степень сейсмического действия взрывов в отечественной практике определяют преимущественно виброскоростью. Для технологического оборудования и инженерных сооружений наряду с отмеченными вибропараметрами часто определяется и вибросмещение. Это связано с неоднозначностью определения энергетических характеристик источника, многообразием среды распространения сейсмических волн и амплитудно-частотных характеристик защищаемых объектов [3]. В сейсмостойком строительстве в качестве интегральной оценки сейсмического эффекта применяется шкала балльности.

Вибрации, возбуждаемые движущимся поездом, можно представить как случайный колебательный процесс с квазипериодической компонентой, зависящей от категории поездной нагрузки, геометрических размеров состава и рельсового пути, скорости движения поезда, от технического состояния вагонов, конструктивных особенностей земляного полотна и других факторов. Достаточно полное представление о спектрально-временных характеристиках вибраций, возбуждаемых поездом, движущимся по земляной плотине от ПК-40 к ПК-53, дает вейвлет-спектрограмма (рис. 1). Пункт наблюдения расположен на ПК-46 правобережной земляной плотины.

Рис. 1. Вейвлет-спектрограмма виброскорости движущегося по гребню плотины грузового поезда. а – запись сейсмических колебаний плотины, б – диаграмма колебаний плотины от проходящего поезда, в – интенсивность колебаний.

Частотный диапазон вибраций, возбуждаемых движущимся поездом, можно условно разделить на два:

инженерно-сейсмологический диапазон 0,5–20 Гц
диапазон высокочастотных виброимпульсных сигналов 21–150 Гц Первый диапазон обусловлен преимущественно вибрационным воздействием поездной нагрузки на грунт. В этот же диапазон входят частоты сейсмических колебаний грунта при землетрясениях, а также собственные частоты большинства зданий и инженерных сооружений. Второй диапазон связан с виброимпульсными и ударными воздействиями поездной нагрузки на железнодорожный путь. Высокочастотные вибрации, вызываемые таким воздействием, быстро затухают и не способны оказывать значимого динамического воздействия на здания и инженерные коммуникации, находящиеся вне железнодорожной насыпи. Опираясь на этот результат, будем оценивать интенсивность динамического воздействия поездной нагрузки в диапазоне 0,5–20,0 Гц.

В табл. 1 приведены значения пиковых амплитуд вибраций, возбуждаемых в правобережной земляной плотине основными типами поездной нагрузки на различных расстояниях от пункта наблюдения (ПН).

Параметры колебаний земляной плотины от воздействия поездной нагрузки

В зависимости от типа поездной нагрузки регистрируемой компоненты (X, Y, Z) в полосе частот 0,5–20 Гц и диапазоне расстояний 5–980 м регистрируются вибросмещения с амплитудами 0,09–36,9 мкм, виброскорости 0,01–2,9 мм/с, виброускорения 0,01–37,2 см/с2. Максимальные результирующие значения отмечены при прохождении грузового поезда: по вибросмещению 56,7 мкм, по виброскорости 4,1 мм/с, по виброускорению 50,1 см/с2.

Уменьшение амплитуд с расстоянием можно аппроксимировать степенной функцией с достоверностью σ ≥ 0,82. По вибросмещению Dxyz= D0 r-0.5; по виброскорости Vxyz= V0r-0.7, по виброускорению Axyz= A0r-1.

Оценка сейсмического эффекта

Под сейсмическим эффектом обычно подразумевают интенсивность колебаний грунта, вызванных землетрясением, и связанные с этим последствия. Сейсмический эффект характеризуется тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью колебаний. В сейсмологии анализ отмеченных параметров позволяет прогнозировать сейсмическую опасность. Практика такого прогноза показывает, что оценка сейсмического эффекта (сейсмической опасности) только по одному параметру может быть необъективной. Примером могут служить сильные землетрясения малой продолжительности и относительно слабые, но большой продолжительности. Несмотря на то что амплитуды ускорения в первом случае больше, сейсмический эффект при этом может быть меньше, чем во втором. В последнее время процесс разрушения связывают с энергетическими характеристиками воздействий, что, с одной стороны, позволяет повысить достоверность оценки сейсмического эффекта, но, с другой – вносит дополнительные трудности в процесс измерения и определения необходимых данных в режиме реального времени.

Для оценки сейсмического эффекта от поездной нагрузки на земляную плотину воспользуемся инструментальной частью сейсмической шкалы [4]. Инструментальные инженерно-сейсмометрические данные применяются для оценки интенсивности землетрясения (сейсмического эффекта) в баллах от 1 до 9,5. Определение интенсивности землетрясения проводится по эмпирическим формулам, где в качестве аргументов используются такие параметры движения грунта, как ускорение (PGA, см/с2), скорость смещения (PGV, см/с) смещение (PGD, см), а также произведения PGA × d0.5 и PGA × PGV:

I = 2,5 lg(PGA) + 1,89, (1)
I = 2,13 lg(PGV) + 4,74, (2)
I = 1,47 lg(PGD) + 6,26, (3)
I = 2,14 lg(PGA) + 1,07 lgd +1,7, (4)
I = 1,325 lg(PGA, × PGV) + 2,83, (5),

где d – длительность сигнала на уровне 0,5 от максимального значения.

Воспользовавшись формулами 1–5 и данными табл. 1, оценим сейсмический эффект, приведенный к фиксированному расстоянию от поездной нагрузки различного типа (табл. 2).

Сейсмический эффект от поездной нагрузки на r=10 м в баллах сейсмической шкалы

Как видно из табл. 2, наблюдается значительный разброс в оценках сейсмического эффекта по формулам 1–5. При этом можно отметить, что оценка по виброускорению дает большие значения, а по вибросмещению меньшие. Расчет по виброскорости приводит к промежуточным значениям. Поскольку на данном этапе исследований нет критерия, по которому можно было бы выбрать той или иной вибропараметр в качестве основного, примем среднее значение. Оценка сейсмического эффекта в баллах сейсмической шкалы позволяет сделать более определенный вывод в отношении критерия допустимого уровня динамических воздействий от поездной нагрузки на земляную плотину. Как следует из шкалы, при 6 баллах в грунтах III–IV категорий по сейсмическим свойствам возможно образование видимых трещин шириной до первых десятков сантиметров… возможно разжижение грунтов и выброс водонасыщенных песков.

Сейсмический эффект (сейсмическая интенсивность) от вибраций, возбуждаемых движущимся поездом, можно оценить с помощью методов сейсмического микрорайонирования [5]. На основании измерений, проведенных на участках железнодорожных насыпей с наличием деформированных и целых опор контактной сети, было установлено, что интенсивность сейсмического воздействия поездной нагрузки в основании недеформированных опоры составляла 5,7 балла, а в основании деформированной опоры 6,1 балла. Первое значение можно рассматривать как допустимую интенсивность сейсмических воздействий, а второе как ведущее к деформации опор контактной сети. Исходя из установленного значения сейсмической интенсивности 5,7 баллов как обеспечивающей сохранность железнодорожной насыпи и опор контактной сети, было определено критическое значение скорости смещения Vкр ≤ 2,7 см/с.

Выводы

Сделана оценка сейсмического эффекта от поездной нагрузки, проходящей по правобережной земляной плотине Братской ГЭС.
Средняя интенсивность сейсмических воздействий в баллах сейсмической шкалы в зависимости от типа поездной нагрузки составила: локомотив – 3,2, пассажирский – 3,3, грузовой – 4,5 балла.
Определено значение сейсмической интенсивности I ≤ 5,7 баллов как обеспечивающее сохранность железнодорожной насыпи и опор контактной сети при движении железнодорожного транспорта по плотине ГЭС.
Для взрывных нагрузок критическое значение скорости смещения в основании опор контактной сети составляет Vкр ≤ 2,7 см/с.

Литература

Кичанов М.А. Разрушительный трафик //Эксперт Сибирь. № 25. 2015. С. 20–21.
Павленов В.А., Потапов В.А., Джурик В., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В. Геолого-геофизические исследования по уточнению исходной сейсмичности и сейсмического микрорайонирования территории гидроузла Братской ГЭС. Отчет. Иркутск, 2002. 68 стр.
Аптикаев Ф.Ф. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности. М.: Наука и образование, 2012. 176 с.
http://www.ifz.ru/uploads/media/project-gost.pdf Землетрясения. Шкала сейсмической интенсивности. Проект.
Черных Е.Н. Оценка состояния железнодорожных насыпей с помощью методов сейсмического микрорайонирования //Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование. Иркутск. 1994. Стр. 54–55.