Monitoring assessment of the low-pressure earthen dam of the Varnavinsky reservoir under conditions of an increasing risk of natural and man-made disasters

Abstract


The need for increased attention to the reliability and safety of hydraulic structures in the water management complex of southern Russia is determined by the scale of the socio-economic consequences of their accidents. During the long-term operation of the low-pressure earthen dam of the Varnavinsky reservoir, various hidden defects and damages were formed. Which in the future can lead to a man-made disaster. The threat of catastrophic floods with the formation of hidden defects and damage will lead to natural disasters, namely the destruction of the dam body. The identification of these hidden defects and damages is a priority task in assessing the technical condition of the body of an earthen dam. The article considers only two methods of non-destructive testing for the detection of hidden defects and damage. Methods of electrocontact dynamic sounding and seismic exploration. They make it possible to obtain the electrical resistivity of soils when subdividing a section according to a lithological feature. As a result of data processing and interpretation, the geoelectric section of the electrical resistivity of soils was obtained. Applied hardware and methodological complex allowed to solve the tasks. The advantage of the complex is its methodological mobility. After a short experimental and methodological work and express processing, it is possible to clearly orient and combine the capabilities of the instrumentation complex and the engineering-geological situation in order to obtain the maximum quality and at the lowest cost of time and money. Studies of low-pressure earth dams should be carried out in the monitoring mode at various water levels in the reservoir. As can be seen from the results of processing, the geophysical complex of non-destructive testing makes it possible to study earth dams with the determination of soil parameters. To determine the physical and mechanical properties of soils, a greater amount of work should be carried out using reference drilling wells and identifying correlation dependencies of parameters.

Full Text

Введение Первые наблюдения за уровнем воды р. Кубани были организованы в 1881 г. возле Краснодара и продолжались около года. Регулярные наблюдения за уровнем воды начаты в 1903 г. возле Краснодара и продолжаются до настоящего времени. Период с 1903-1948 гг. считается периодом естественного режима реки. В период с 1949 по 1966 гг. вводятся в эксплуатацию Невинномысский канал, Тщикское и Шапсугское водохранилища, с 1967 по 1972 гг. - ввод в эксплуатацию Большого Ставропольского канала и Федоровского гидроузла, Варнавинского и Крюковского водохранилищ. С 1975 г. по настоящее время - период регулирования стока Краснодарским водохранилищем. В пределах дельты на территории бывших Приазовских плавней построены рисовые оросительные системы: Петровско-Анастасиевская, Темрюкская правобережная, Азовская и Черноерковская. Федоровский гидроузел (1967 г.) обеспечивает командование горизонтов в магистральные каналы Кубанской, Федоровской, Марьяно-Чебургольской и Понуро-Калининской систем. Общая площадь мелиоративных систем около 80 тыс. га. Для перераспределения стока между рекой Кубанью и рукавом Протоки предназначен Тиховский гидроузел. Варнавинское водохранилище построено в 1969-1971 гг. на площади Абино-Северской группы лиманов, расположено в центре массива, в одном километре восточнее железнодорожной линии Крымская - Тимашевская. Водохранилище образовано низконапорными земляными плотинами, включившими в чашу лиманы и их прибрежные подтопленные земли, и принято в постоянную эксплуатацию в 1971 г. Основные проектные параметры низконапорной земляной плотины, запроектированные в 1960-1962 гг., следующие: длина 39,5 км, отметка гребня 10,95 м, ширина 4,5-6 м. Водосбросное сооружение Варнавинского водохранилища представляет собой трехпролетный открытый шлюз-регулятор с водосливом практического профиля, пропускная способность сооружения - 180 м3/с. По проекту класс капитальности основных гидротехнических сооружений - IV [1]. Варнавинское водохранилище регулирует сток стекающих с Северного склона Кавказского хребта горных рек - Абин, Адагум, Куафо, Шибс и Шибик. Выполняет следующий комплекс задач: - регулирование паводков рек, стекающих с Северного склона Кавказского хребта, защищает от затопления и подтопления 39 тыс. га ценных сельскохозяйственных земель, населенные пункты, животноводческие фермы и прочие объекты [2]; - использование зарегулированного стока для обеспечения водой Варнавинской оросительной системы площадью 10 579 га, в том числе рисовых - 3696 га, Закубанской оросительной системы и части Крюковской общей площадью около 13 тыс. га [3]; - обслуживание нужд рыбоводства в чаше водохранилища. Варнавинское водохранилище находится в собственности Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и эксплуатируется Крымским эксплуатационно-мелиоративным государственным учреждением. Оценка экономической эффективности реконструкции противопаводковой системы обвалования рек Кубани и Протоки произведена в соответствии с методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов и ведомственных методических рекомендаций [4-6]. На основании расчетных границ затапливаемых земель определен земельный фонд и его экспликация в восьми административных районах Краснодарского края (Северском, Абинском, Крымском, Анапском, Темрюкском, Славянском, Красноармейском и Калининском) и Тахтамукайском районе Республики Адыгея. Реконструкция противопаводковой системы в бассейнах рек Кубани и Протоки (Нижней Кубани) позволит защитить в восьми районах края и одном районе Республики Адыгея 261,0 тыс. га земель, в том числе 197,5 тыс. га сельскохозяйственных угодий, из которых 175,1 тыс. га пашни, из нее 88,8 тыс. га орошаемой (рисовых систем 73,0 тыс. га). Проектируемые противопаводковые инженерно-технические мероприятия при 3 % обеспеченности паводка (расход Q = 1500 м3/с сбрасываемого с Краснодарского водохранилища) позволят защитить 84 населенных пункта с общим количеством проживающего населения 133,6 тыс. человека, а также производственные и непроизводственные фонды на сумму 20 513,7 млн руб. В сельскохозяйственном производстве будет предотвращена гибель от затопления при возникновении наводнения: зерна - 368,37 тыс. т, кормов - 239,99 тыс. т к единице, плодов и винограда - 3,0 тыс. т. Предотвращенный среднегодовой ущерб от затопления в результате реконструкции противопаводковой системы в Нижней Кубани составляет в целом 365,48 млн руб., который слагается из убытков, потерь и затрат (прямых и косвенных) и состоит из экономического, социально-экономического и экологического ущербов. Оценка эффективности произведена в текущих ценах при коэффициенте дисконтирования около 0,06. Срок службы земляных низконапорных плотин после реконструкции принят 34 г. Строительные работы по первой очереди реконструкции инженерных сооружений будут осуществляться в течение четырех лет. Средства на реконструкцию первой очереди противопаводковой системы обвалования рек Кубани и Протоки в сумме 1466,23 млн руб предоставлены из Федерального бюджета на безвозмездной основе [7]. Реализация проектируемых мероприятий на реках Кубани и Протоке скажется положительно на улучшении экономической, социально-экономической и экологической обстановки в восьми районах, г. Краснодаре Краснодарского края и Тахтамукайском районе Республики Адыгеи. Экономические расчеты подтверждают хозяйственную необходимость и экономическую целесообразность проведения инженерно-защитных мероприятий на реках Кубани и Протоке [8]. Основная часть Исследования проводятся в Крымском районе, в восточной части грунтовой низконапорной земляной плотины Варнавинского водохранилища. При постановке методики для проведения сейсморазведочных работ по обследованию грунтовой плотины учитывались факторы поверхностных условий, глубины исследования, уровень техногенных и естественных шумов. Для проведения работ неблагоприятными были техногенные шумы, вызванные движением транспорта, шумы от колебаний поверхностного слоя, вызванные наличием ветра [9]. Виды и объемы фактически выполненных натурных работ [10] приборами неразрушающего контроля приведены в таблице. Виды и объемы выполненных работ Types and volumes of work performed Наименование работы Единица Объем работ Методика выполнения Георадиолокационные исследования (АБ-1700) Измерения 1587 Комплекс «ОКО-2» Георадиолокационные исследования (АБ-400) Точка 872 Комплекс «ОКО-2» Электроразведка Точка 12 Комплекс «ОКО-2» Сейсморазведка Точка ВЭЗ 17 Комплекс «Era-Max» Электроконтактное динамическое зондирование (ЭДЗ) Профиль 19 Комплекс «Лакколит Х-2М» Схема расположения отработанных фрагментов геофизических профилей на низконапорной земляной плотине Варнавинского водохранилища приведена на рис. 1. При выполнении сейсморазведочных работ по изучению верхней части разреза (до 300 м) основная сложность при регистрации и обработке избавление от волн помех. Анализ волнового поля позволяет выделить несколько типов волн. Полезные волны представлены преломленными и рефрагированными, отраженными волнами. Для обработки общей глубинной точки полезными являются отраженные волны, характеризующиеся высокими скоростями по отношению к другим типам волн. На «сырых» сейсмограммах выделяются нечетко, имеют спектр частот 18-120 Гц и характеризуются раздвоением фаз при удалении от пункта возбуждения. Преломленные и рефрагированные волны отделены от отраженных по времени, поэтому их «вырезание» из информативной временной области не вызывает затруднений [11]. Рис. 1. Расположение фрагмента геофизических профилей и точек зондирования Fig. 1. Location of a fragment of geophysical profiles and sounding points Волны-помехи представлены поверхностными волнами Лява и Рэлея. Доминируют в верхней части разреза, характеризуются высокой интенсивностью, низкочастотным составом колебаний 5-30 Гц, низкими скоростями - до 200 м/c, веерообразной формой цуга колебаний, идущих от центра пункта возбуждения. Волны Рэлея быстро затухают с глубинной, имея при этом 3-4 четко выраженных периода колебаний. Выделение техногенных шумов, вызванных падением леса и работой строительной техники, определяется по скорости и углам подхода волны. Регулярный шум, обусловленный колебаниями поверхности земли за счет ветра, качеством установки сейсмоприемников, имеет широкополосный спектр [12]. Сейсморазведочные работы проводились с регистрацией двух составляющих, горизонтальной и вертикальной. При анализе волнового поля волн-помех выделено, что чем больше мощность почвеннорастительного слоя и меньше скорость волн, тем интенсивнее и продолжительнее волны Рэлея. Этот слой является своеобразным фильтром низких частот, частотный состав полезного сигнала значительно ослаблен в области верхних частот и его выделение затруднено. При анализе разрезов использовалось преобразование Гильберта, позволяющее более контрастно отобразить изменение параметров амплитуды, фазы и частоты сигнала с получением качественных показателей [13]. Комплексная интерпретация полученных в результате обработки полученных геофизических данных при работах по обследованию грунтовой низконапорной плотины Варнавинского водохранилища проведена с целью определения положения динамической кривой, тектонических нарушений, оползневых процессов, расчленения разреза по литологическому составу с получением характерных параметров. По результатам проведения сейсмических исследований построены глубинные разрезы продольных и поперечных волн. При работах с малыми глубинами основной информационный диапазоном частот 100-1000 Гц и на разрезах частоты более 300 Гц нечитаемы. При попытке их выделения путем полосовой фильтрации нарушается амплитудно-частотная зависимость. Поэтому для отражения столь коротких во времени и столь значимых характеристик использовалась обработка сигнала при помощи преобразования Гильберта [14]. На рис. 2 приведен глубинный сейсмический разрез продольных волн по фрагменту профиля № 11. Продольная волна порождается деформациями сжатия при вертикальном ударе кувалдой по поверхности земли. На разрезе по скорости продольных волн 1600-1700 м/с определена динамическая кривая. Оползневой участок определен по отражению положительной амплитуды (черный цвет), где выявлено отклонение от нормального залегания грунтов, уменьшение частоты сигнала в объеме оползня и увеличение амплитуды сигнала из-за увеличения акустической жесткости ниже зоны скольжения. Максимальная мощность оползневого участка составляет 3-3,5 м, протяженность порядка 8 м. Рис. 2. Глубинный сейсмический разрез по фрагменту профиля № 11 (продольные волны) Fig. 2. Deep seismic section along profile fragment No. 11 (longitudinal waves) На глубинном разрезе в центральной части наблюдается потеря корреляционной зависимости отражений (красная пунктирная линия). Ее происхождение связано с резкими изменениями скоростей продольных волн и плотностью пород. Это положение нашло свое отражение на разрезе мгновенной амплитуды сигнала (рис. 3). Указанная область является зоной пликативных нарушений, разделяющей разрез на два блока. На рис. 4 приведен разрез мгновенной фазы, где по наиболее резкой цветовой границе наблюдается изменение корреляционной зависимости, а также разность блоков по амплитудно-фазовому спектру [15]. Левый блок характеризуется относительно пониженными скоростями по отношению к правому, более узким фазовым спектром, уменьшением ширины частотного спектра в области низких частот. На разрезе мгновенной частоты (рис. 5) красным цветом отображены основные отражающие границы красным цветом, а затем выделена область сочленения блоков. Рис. 3. Глубинный сейсмический разрез по фрагменту профиля № 11 (разность блоков мгновенной амплитуды по амплитудно-фазовому спектру) Fig. 3. Deep seismic section of instantaneous amplitude along profile fragment No. 11 (instantaneous amplitude difference of blocks in the amplitude-phase spectrum) Рис. 4. Глубинный сейсмический разрез по фрагменту профиля № 11 (область низких частот) Fig. 4. Deep seismic section along profile fragment No. 11 (low frequency region) Сейсмический разрез поперечных волн является порождением сдвиговых деформаций, на рис. 6 приведен глубинный сейсмический разрез поперечных волн по фрагменту профиля № 11. Отмечено незакономерное расположение отражающих сейсмических границ относительно поперечного сечения низконапорной плотины. Разделение вышеописанных блоков не наблюдается. Рис. 5. Глубинный сейсмический разрез по фрагменту профиля № 11 (область сочленения блоков) Fig. 5. Deep seismic section along profile fragment No. 11 (block junction area) Рис. 6. Глубинный сейсмический разрез по фрагменту профиля № 11 (поперечных волн) Fig. 6. Deep seismic section along profile fragment No. 11 (transverse waves) На рис. 7 приведен разрез мгновенной амплитуды, где черной пунктирной линией снизу ограничена зона наиболее резких изменений скорости поперечных волн и соответственно сдвиговых деформаций. Это связано прежде всего с тем фактом, что на волновом поле волны-помехи высокой интенсивности по частотному и скоростному составу практически не разделяются с полезными волнами и подавляют их [16]. При обработке использовано максимальное количество этапов по выделению полезных волн. Это положение подтверждается разрезом мгновенной фазы (рис. 8). Рис. 7. Глубинный сейсмический разрез по фрагменту профиля № 11 (сдвиговые деформаций) Fig. 7. Deep seismic section along profile fragment No. 11 (shear deformations) Рис. 8. Глубинный сейсмический разрез по профилю № 11 (продольные волны) Fig. 8. Deep seismic section along profile No. 11 (longitudinal waves) Зона оползня выделяется красным полем значений, распространяющимся от точки электроконтактного динамического зондирования от точки один до точки три, на разрезе продольных волн (рис. 9) выделена только наиболее неустойчивая зона оползня. Разрез мгновенной частоты позволяет наиболее наглядно выделить основные сейсмические границы. В завершение анализа выделенных блоков следует отметить, что правый блок приподнят на 3-4 м, имеет те же литологические типы грунтов, но более уплотненных и подверженных меньшим нагрузкам со стороны плотины [17]. Рис. 9. Неустойчивая зона оползня Fig. 9. Landslide unstable zone Электроразведочные данные не позволили подтвердить данные о пликативных нарушениях ввиду их близкого расположения относительно друг друга и нахождения в зоне сочленения [18]. Выделенные слои уровня грунтовых вод, по данным электроконтактного динамического зондирования, хорошо коррелируются с данными сейсморазведки и электроразведки. Данные георадиолокации позволяют в большей степени судить о степени увлажненности грунтов, по диэлектрической проницаемости сухие суглинки и глины не сильно отличаются. Полевые работы методом электроконтактного динамического зондирования проведены в пяти характерных по рельефу точках профиля. Зондирование осуществлялось на глубину до 7,5 м. По результатам электроконтактного динамического зондирования построены кривые динамического сопротивления грунтов и кривые тока, а также проведена интерпретация данных. Границы определяются по значениям динамического сопротивления грунтов и силе электрического тока, а также их взаимным зависимостям, по значениям давления и относительно резкого увеличения сопротивления можно судить о водонасыщенности грунтов и глубине уровня грунтовых вод. Выводы В результате проведения работ по обследованию грунтовой плотины Варнавенского водохранилища получены результаты, которые подтверждают эффективность, производительность и информативность применяемых геофизических методов при относительно небольших затратах. Также отмечена еще большая эффективность при применении комплекса геофизических методов. Применяемый аппаратурный и методический комплекс позволил решить поставленные задачи. Достоинством комплекса является его мобильность в методическом отношении. После непродолжительных опытно-методических работ и экспресс-обработки удается сочетать возможности аппаратурного комплекса и инженерно-геологической ситуации для получения максимального качества и при наименьших затратах времени и средств. Методы поиска относятся к дистанционным и неразрушающим, что дает возможность проводить исследования и мониторинг, не прекращая работу водохранилища, в любой обстановке. Исследования грунтовых плотин следует проводить в режиме мониторинга при различных уровнях воды в водохранилище. Как видно из результатов обработки, геофизический комплекс позволяет изучать грунтовые плотины с определением параметров грунтов. Для определения физико-механических свойств грунтов следует проводить больший объем работ с использованием опорных скважин бурения и выявлением корреляционных зависимостей параметров. В заключение следует отметить, что поставленные задачи успешно решаются комплексом геофизических методов и основным вопросом является составление и корректировка методики индивидуально для объекта.

About the authors

M. A Bandurin

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

V. A Volosukhin

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

I. A Prikhodko

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

A. A Rudenko

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

References

  1. Аль Фатин Х.Д., Мустафин М.Г. Методика оценки деформаций водоподпорных плотин // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). - 2021. - Т. 26, № 1. - С. 45-56. doi: 10.33764/2411-1759-2021-26-1-45-56
  2. Юрченко И.Ф. Безопасность автоматизированных технологий регулирования мелиоративного режима агроэкосистемы // Инженерные технологии и системы. - 2022. - Т. 32, № 1. - С. 28-40.
  3. Косиченко Ю.М., Баев О.А. Особенности гидравлических и фильтрационных расчетов осушительно-оросительной системы // Природообустройство. - 2021. - № 4. - С. 90-98.
  4. Utkin V.S., Sushev L.A. The Reliability Analysis of Existing Reinforced Concrete Piles in Permafrost Regions // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. - 2017. - Vol. 13, No 2. - P. 64-72.
  5. Baev O., Kosichenko Yu., Silchenko V. Effect of subsoil moisture on filtration through a screen defect // Magazine of Civil Engineering. - 2022. - № 3 (111). - Р. 11109.
  6. Абдразаков Ф.К., Лазарева А.А. Нарушение надежности работы облицованных оросительных каналов // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. - 2012. - Т. 12, № 6. - С. 52-54.
  7. Numerical analysis of static strength for different damages of hydraulic structures when changing stressed and strained state / V.A. Volosukhin, M.A. Bandurin, V.V. Vanzha, A.V. Mikheev, Y.V. Volosukhin // Journal of Physics: Conference Series.International Conference Information Technologies in Business and Industry 2018 Enterprise Information Systems. - 2018. - P. 042061.
  8. The use of ionizing radiation for the tungsten preparation / B.P. Chesnokov, F.K. Abdrazakov, O.V. Naumova, D.S. Krivoschapov, V.A. Strelnikov //j. of Industrial Pollution Control. - 2017. - P. 1-12.
  9. Бандурин М.А. Совершенствование методов проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2013. - № 1 (09). - С. 68-79.
  10. Мельников Н.Н., Калашник А.И. Инновационные георадарные технологии изучения подповерхностной структуры и состояния природно-технических систем // Вестник Кольского научного центра РАН. - 2010. - № 3. - С. 4-8.
  11. Yurchenko I.F. Information support system designed for technical operation planning of reclamative facilities // Journal of Theoretical and Applied Information Technology. - 2018. - Т. 96, № 5. - Р. 1253-1265.
  12. Ntegrating geographic information system, remote sensing, and modeling to enhance reliability of irrigation network / E.H. Ashour, S.M. Elsayed, S.E. Ahemd, M.E. Basiouny, F.S. Abdelhaleem // Water and Energy International. - 2021. - Vol. 64, № 1. - С. 6-13.
  13. Features of investing in reconstruction of reclamation objects by the example of irrigation systems of the Saratov region / L.A. Zhuravleva, T.V. Fedyunina, L.Yu. Evsyukova, A.V.Rusinov, D.A. Kolganov, L.N. Pototskaya // Revista Turismo Estudos & Práticas. - 2020. - № S4. - С. 19.
  14. Over-extraction from shallow bedrock versus deep alluvial aquifers: reliability versus sustainability considerations for India's groundwater irrigation / R.M. Fishman, U. Lall, T. Siegfried, P. Raj, V. Modi / Water Resources Research. 2011. - Vol. 47, № 12.
  15. Method for assessing the reliability of earth dams in irrigation systems / K.S. Sultanov, B. Khusanov, P.V. Loginov, Sh. Normatov // Construction of Unique Buildings and Structures. - 2020. - № 4 (89). - Р. 8901.
  16. Хидиров С.Т. Мониторинг напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений как фактор обеспечения безопасной эксплуатации // Инновации и инвестиции. - 2020. - № 12. - С. 291-294.
  17. Тищенко А.И. Расчет плит крепления в нижнем бьефе гидротехнических сооружений мелиоративной сети с целью увеличения их эксплуатационной надежности // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2019. - № 2 (34). - С. 165-184.
  18. Детальное сейсмометрическое обследование низконапорных плотин ГЭС при проектировании АССК / Р.В. Козлов, Л.А. Короленко, А.П. Кузьменко, В.С. Сабуров // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. - 2021. - № 4. - С. 76-87. doi: 10.36535/0869-4179-2021-04-6

Statistics

Views

Abstract - 97

PDF (Russian) - 142

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 Bandurin M.A., Volosukhin V.A., Prikhodko I.A., Rudenko A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies