25 Сентября 2020

Инъекционный подъем

«РусГидро» приступило к выравниванию здания Загорской ГАЭС-2, просевшего из-за размыва грунта еще в 2013 году. В мировой практике промышленного строительства это прецедент – еще никто и нигде не поднимал объекты весом более 350 тыс. тонн.

Поделиться в социальных сетях

На стройплощадке Загорской ГАЭС-2 (840 МВт) в Подмосковье начались работы по выравниванию станционного здания, давшего осадку из-за размыва грунтов еще в сентябре 2013 года. Семь лет ушло на поиск и апробацию уникальной технологии, разработанной входящим в Группу «РусГидро» Институтом «Гидропроект». С помощью распространенного в мировой практике промышленного строительства (в основном, тоннелестроения) метода управляемого компенсационного нагнетания (подробнее о нем можно почитать, например, по этой ссылке) «РусГидро» рассчитывает поднять правую сторону покосившегося здания, укрепив заодно и мягкие грунты в его основании. 

Аналогичным образом, например, в Лондоне строили станцию метрополитена «Вестминстер»: для рытья котлована глубиной 39 метров и проходки тоннелей закрытым способом нужно было сначала компенсировать осадку и крен Башни Елизаветы (знаменитого на весь мир Биг-Бена) Вестминстерского дворца. Но в мировой практике еще никто и никогда не «поднимал» объекты весом в 350 тыс. тонн, как у Загорской ГАЭС-2 (для сравнения: атомный ледокол «Ленин» весит «всего» 16 тыс. тонн). Неудивительно, что «Гидропроект» потратил на углубленные научно-технические работы по «приложению» известной технологии к конкретной станции несколько лет. Причем не только на построение математических моделей (то есть теорию), но и опытные испытания фундаментной плиты, которую для этого специально установили под углом на площадке ГАЭС-2. 

Решение о том, что здание Загорской ГАЭС-2 будут именно выравнивать, а не сносить и не консервировать (а такие варианты тоже рассматривались), было принято Советом директоров «РусГидро» в декабре 2018 года. В прошлом году госхолдинг выбрал генподрячика управляемого подъема – питерское ООО «ТоннельГеоСтрой», которое специализируется на строительстве инженерных сетей и подземных сооружений, и имеет в арсенале современные тоннеле-проходческие комплексы и буровые установки. В настоящее время, согласно информации с сайта этой компании, она ведет работы по строительству, например, тоннелей для пропуска селевых потоков в Новороссийске (заказчик – ПАО «Транснефть») и главного коллектора в Симферополе. На станционном узле Загорской ГАЭС-2, «согласно проекта…, необходимо выполнить субгоризонтальное бурение скважин с установкой в них манжетных колонн с последующим управляемым нагнетанием инъекционных материалов», описывают в «ТоннельГеоСтрое» суть работ для «РусГидро». 

Бурение скважин уже идет, но весь проект разбит на несколько этапов, их полное завершение запланировано на май 2022 года. Стоимость выравнивания здания Загорской ГАЭС-2 в рамках контракта оценивается в 3,15 млрд рублей. Стоит отметить, что параллельно достраиваются и вводятся в эксплуатацию те объекты, которые могут быть использованы действующей Загорской ГАЭС (нижний бассейн, КРУЭ-500 кВ, подъездные автодороги). Но вообще судьба ГАЭС-2 окончательно будет определена «по итогам оценки результатов работ по выравниванию здания станции», заявил 26 августа председатель правления – генеральный директор ПАО «РусГидро» Николай Шульгинов, посетивший стройплощадку. Впрочем, если здание «поднимут», ничего не помешает госхолдингу провести долгожданный запуск четвертой ГАЭС в России.

Стоимость выравнивания здания Загорской ГАЭС-2 в рамках контракта оценивается в 3,15 млрд рублей.

История строительства

Строительство Загорской ГАЭС-2, как второй очереди действующей Загорской ГАЭС (она запускалась с 1987 года), рассматривалось еще с конца 1980-х. На излете СССР, в 1990-м, Минэнерго РСФСР даже утвердило задание на проектирование, а к 1995 году – и технико-экономическое обоснование (ТЭО) «второй» станции. Но, как принято сейчас говорить про «лихие 90-е», «в связи со сложной экономической ситуацией в стране», работы не стартовали. Загорская же ГАЭС с 2000 года и по настоящее время функционирует на полную проектную мощность, 1200 МВт, играя важную роль в ОЭС Центра: станция участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности в данном регионе и покрывает суточные пиковые нагрузки в Московской и Центральной энергосистеме (доля в мощности МО от 15 до 20%). 

Снова строить Загорскую ГАЭС-2 решили в 2006 году, и причиной актуализации проекта стала прогремевшая ранее на весь мир масштабная авария в энергосистеме Московского региона. Естественно, перед стартом новой стройки предстояло актуализировать проектную документацию. В 2006 году Институт «Гидропроект», который тогда еще не входил в состав «РусГидро» (да и сам госхолдинг в те годы еще только формировался, нынешнее название появилось лишь в 2011-м), разработал обоснование инвестиций, а в 2007 году – новое ТЭО. Оба документа получили положительные заключения ФГУ «Главгосэкспертиза России». 

ГАЭС-2 предназначалась, прежде всего, для выравнивания суточных графиков нагрузки и повышения надежности функционирования столичной энергосистемы, одной из самых мощных в составе ЕЭС России. По обновленному проекту станцию решено было возводит в 800 метрах от действующей Загорской ГАЭС, на той же реке Кунье (приток реки Дубна), на севере Московской области – в 100 км от столицы и в 20 км от Сергиева Посада (в границах поселков Богородское и Краснозаводск). Мощность в генераторном режиме, при расчетном напоре в 100 метров, должна была составить 840 МВт (четыре обратимых гидроагрегата по 210 МВт каждый), а в режиме электропотребления (напор 97,5 метров) – 1 ГВт. Проектная среднегодовая выработка – 1 млрд кВт*часов.

Станционный узел ГАЭС-2 должен был включать само здание (длиной более 100 метров, шириной 67,5 метров и высотой в 47 метров), две монтажные площадки, четыре нитки стале-железобетонных открытых напорных водоводов по 780 метров каждая (диаметром трубы в 7,5 метров), соединенные с водоприемником, который планировалось встроить в тело ограждающей дамбы верхнего бассейна (конструктивно этот объект схож с водоприемником Загорской ГАЭС). Верхний аккумулирующий бассейн станции предстояло оградить земляной дамбой, примыкающей к дамбе действующей ГАЭС, а нижний (дополнительной полезной емкостью в 11,8 млн кубометров) должен был стать общим для двух станций сразу. Для выдачи мощности строили ВЛ 500 кВ, а также корпус КРУЭ-500 кВ (также общей для двух ГАЭС). 

Строительство стартовало в 2007 году – естественно, с разработки котлована здания станции. Следующие два года ушло на бетонирование фундаментной плиты здания ГАЭС, в 2010 году началось возведение напорных водоводов. К 2011 году готовность сооружений станции достигла 50%, и строители приступили к монтажу радиально-осевых насос-турбин. К 2013 году на стройплощадке ГАЭС-2 было выполнено уже более 90% всех работ: успели достроить образованный дамбами верхний бассейн, водоприемник, два из четырех железобетонных напорных водоводов, нижний бассейн, КРУЭ 500 кВ, и, собственно, основное здание ГАЭС-2, в котором смонтировали два гидроагрегата (№7 и №8). В эксплуатационном режиме к тому времени находились все сопрягающие сооружения, все фрагменты, примыкающие к реверсивному каналу и элементы самого канала. В марте 2013 года после разбора временной перемычки нижний бьеф Загорской ГАЭС-2 был заполнен водой, а здание станции было поставлено под напор. 

Казалось, все идет по плану, и четвертая ГАЭС в России вскоре заработает на полную мощность. Тем более что и запуск первых двух гидроагрегатов, как это часто бывает, сдерживался лишь неготовностью схемы выдачи мощности. Увы, осенью 2013 года все изменилось: 17 сентября около 23 часов по местному времени здание ГАЭС было подтоплено. В тот момент в нем находились 15 человек, занимавшихся пуско-наладочными работами, к счастью, все они организованно покинули объект и не пострадали.

Инцидент был охарактеризован как «непроектная осадка грунтов под зданием строящейся станции», вызванный резким снижением эффективности работы противофильтрационных устройств (хотя Загорскую ГАЭС строили, по сути, на тех же алювиальных песчаных основаниях, ГАЭС-2 все-таки создавалась рядом с действующей станцией, у которой уже было свое водохранилище). «В результате осмотра места происшествия и произведенных измерений было установлено, что правая часть здания ГАЭС (вместе с одним из блоков подпорной стенки) просела на 0,96 метров, а левая поднялась на 0,56 метров, то есть произошел «перекос» здания на правую сторону. Затопление здания происходило через нарушенные деформационные швы и входные отверстия недостроенных водоводов. Впоследствии до завершения работ по стабилизации сооружения здание осело примерно с этим же креном еще на 35-40 см», - отмечал в своей статье к.т.н. Андрей Александров, руководитель работ по выравниванию Загорской ГАЭС-2 АО «Институт Гидропроект». (Еще раз отметим: правая часть здания ГАЭС-2 (вместе с одним из блоков подпорной стенки) просела на 1,17 метров, а левая – поднялась на 0,22 метра).

В марте 2013 года после разбора временной перемычки нижний бьеф Загорской ГАЭС-2 был заполнен водой, а здание станции было поставлено под напор.
Снимок экрана 2020-09-24 в 12.08.49.png

Поднять здание

Первым делом нужно было убрать воду – для этого в короткие сроки, с 18 сентября по 7 октября 2013 года, со стороны нижнего бьефа ГАЭС-2 была отсыпана перемычка, изолирующая здание станции от нижнего бассейна. Затем, путем подачи цементного раствора по скважинам, пробуренным через конструкции здания ГАЭС-2, была заполнена образованная размывом полость под фундаментом станции, полость в области понура и полости под соседними сооружениями (всего было закачано более 20 тыс. кубометров раствора). Все это позволило к середине 2014 года завершить осушение котлована, а также стабилизировать здание ГАЭС-2 в занятом им наклонном положении. 

Пришло время решать, что делать с этим объектом. Поначалу рассматривали и варианты с консервацией или даже полной ликвидацией ГАЭС-2. Но, учитывая, что в стройку к тому времени было вложено уже несколько десятков миллиардов рублей, решили все-таки сосредоточиться на вариантах, дающих возможность завершить строительство. Институт «Гидропроект», вместе с привлеченными экспертами, проанализировал несколько путей восстановления сооружений станционного узла. В том числе – и строительства нового здания ГАЭС-2 – как на месте «старого» (которое до этого, соответственно, нужно было еще разобрать), так и в нижнем бьефе (с прокладкой сквозь «старого» здания водоводов). Оценивали и варианты лишь с частичным разбором объекта (с приспособлением его к работе в сложившемся пространственном положении), а также с подъемом как правобережной, так и опусканием левобережной частей здания. 

От второго варианта в итоге все же отказались, поскольку в этом случае, к примеру, пришлось бы перекладывать и трассы уже построенных водоводов. Но главное, для того, чтобы левый бок опустить, нужно было провести выемку большого объема грунта, то есть – бурить скважины, прокладывать тоннели. И рабочим при этом предстояло бы работать под покосившимся зданием, а это уже выглядело чрезвычайно рискованным делом. Поэтому, после технического и экономического анализа вариантов на заседаниях НТС «РусГидро» и НТС ЕЭС, было принято решение о дальнейшей проработке варианта с подъемом правобережной части здания ГАЭС-2 (с полным переустройством  противофильтрационных элементов всего станционного узла). Благо, исследования показали отсутствие повреждений несущих железобетонных конструкций, которые могли бы препятствовать выравниванию здания. Говоря языком инженеров, объект предстояло вернуть в такое высотное положение, «при котором обеспечивается работа гидрогенерирующего оборудования ГАЭС в эксплуатационном режиме».

Говоря языком инженеров, здание Загорской ГАЭС-2 предстояло вернуть в такое высотное положение, «при котором обеспечивается работа гидрогенерирующего оборудования ГАЭС в эксплуатационном режиме».

Но как технически это можно было сделать? Выбор, дальнейшая разработка и экспертиза конкретной технологии оказались неординарной научно-технической задачей, на решение которой ушло более пяти лет. К этому в той или иной степени был привлечен широкий круг как российских, так и зарубежных инженеров и ученых в области гидротехники, укрепления грунтов, подъема зданий и сооружений. Изучив в итоге более 20 вариантов (среди них – подъем за счет взвешивающей силы воды, либо с помощью домкратов!), в «Гидропроекте» остановились на методе управляемого компенсационного нагнетания – этот путь в итоге оказался наиболее осуществимым с технической точки зрения и наиболее эффективным с экономической.

По словам заместителя генерального директора по капитальному строительству ПАО «РусГидро» Николая Карпухина, подъем и выравнивание здания будет в итоге достигнуто за счет… увеличения объема грунта под ним! Для этого под фундаментную плиту станционного узла планируется закачать специальные быстрозатвердевающие смеси (в режиме управляемого микро-гидроразыва), за счет чего в грунте удастся создать область повышенного давления, которое и «вытолкнет» просевшее здание вверх. По сути, под основанием будет сформирован «гидродомкрат», а затвердевшие растворы обеспечат устойчивость модифицированного грунта на время всего периода эксплуатации ГАЭС-2 (не менее 100 лет), позволят компенсировать дефицит грунта и обеспечить проектное напряженно-деформируемое состояние всего массива. При этом подъем будет вестись в полностью управляемом режиме, без создания недопустимых нагрузок на сооружения станции.

Под фундаментную плиту станционного узла планируется закачать специальные быстрозатвердевающие смеси (в режиме управляемого микро-гидроразыва), за счет чего в грунте удастся создать область повышенного давления, которое и «вытолкнет» просевшее здание ввер
Снимок экрана 2020-09-24 в 12.15.28.png

За это лето «ТоннельГеоСтрой» провел на объекте все подготовительные мероприятия, включающие в себя укрепление конструкций здания ГАЭС с помощью внешнего армирования композитными материалами. В августе генподрядчик приступил к основному этапу работ – сейчас уже пробурено более 20 скважин, в которые закачали несколько тысяч кубометров пропиточных и инъекционных растворов. Бурение ведется горизонтально-наклонным способом, в полностью управляемом с монитора режиме; на одну скважину уходит примерно три смены по 12 часов каждая. Сами скважины расположены близко друг к другу, поэтому точность бурения имеет большое значение.

Всего буровикам предстоит пробурить 364 скважины, длиной от 142 до 186 метров, расположенных в восьми ярусах. Процессы пойдут поэтапно, от верхних к нижним ярусам, и завершаться к середине 2022 года. Работы контролируются специалистами «Гидропроекта» из специально организованного на площадке станции Центра управления подъемом (!). 

Стоит отметить, что эта технология была не просто математически смоделирована в «лабораторных» условиях, но и подтверждена на практике – прямо на площадке самой ГАЭС-2. Для этого «Гидропроект» организовал там опытный участок, представляющий собой модель фундаментной плиты здания станции, заглубленной на 21 метр и установленной под тем же углом наклона, что и сам станционный узел. Это испытания доказали, что управляемый подъем возможен, позволили отработать детали технологии выравнивания – например, выбрать оптимальные составы инъекционных растворов, обосновать отказ от пластиковых труб в скважинах в пользу более прочных и надежных стальных. Для подтверждения устойчивости модифицированного основания на опытном участке также провели вибрационные эксперименты, моделирующие нагрузки, возникающие при работе гидроагрегатов ГАЭС, а также опыты, подтвердившие суффозионную устойчивость модифицированного грунта.

Выбранные проектные решения в 2015 году прошли экспертизу консорциума из двух немецких компаний – Lahmeyer International и Bauer, а также российской «ЭФ-ТЭК». В 2017 году положительное заключение выдало и ГАУ «Мосгосэкспертиза», а затем и совместное заседание Научно-технической коллегии НП «НТС ЕЭС» и Секции по проблемам надежности и безопасности больших систем энергетики Научного совета РАН по комплексным проблемам в энергетике (отчет доступен по этой ссылке). «ТоннельГеоСтрой» на самой площадке предложил бурить скважины с верхнего бьефа, и горизонтально, а не так, как планировалось раньше (из котлованов и с нижнего, и с верхнего бьефов одновременно).

Все работу по подъему здания Загорской ГАЭС-2 контролируются специалистами «Гидропроекта» из специально организованного на площадке станции Центра управления подъемом.

Для закачки растворов в каждую из скважин помещают специальные манжеты (в среднем, по 140 манжет) – те же трубы (причем стальные, а не пластиковые, как предполагалось изначально), но с отверствиями, сделанными через определенное расстояние друг от друга. Через них, под давлением, и идет подача раствора в рассчитанные проектом точки под землей.

Состав инъекций – это еще одно ноу-хау, их точный состав в «РусГидро» не раскрывают, отмечая только, что в основе – смеси бентонита и цемента со специальными добавками, которые готовятся прямо на площадке проведения работ. На первом этапе закачивать будут т.н. пропиточные растворы, которые нужны для того, чтобы закрепить песчаный грунт вокруг самих скважин – сделать его более связным, пластичным, схожим с суглинком. А на втором этапе – растворы уже для того самого компенсационного нагнетания.

В гидростроительстве метод управляемого компенсационного нагнетания для исправления уже имеющихся осадок, вызванных геологическими процессами в основании, уже использовали на гидроузле, который был построен в 1950-1952 годы на судоходной реке Неккар вблизи Хессигхайма (Германия). И включал судоходный шлюз, водосбросную плотину и русловое здание ГЭС на правом берегу. Еще в период строительства в 1951 году здание ГЭС получило осадку от 70 до 170 мм, что было связано с разрушением карстовых полостей, образовавшихся вследствие выщелачивания гипса под мощным слоем гравелистых песков, на которые и был в ходе проекта поставлен створ.

Восстановления высотного положения ГЭС добились путем нагнетания растворов в основание, которое велось через инжекторы скважин, пробуренных прямо из здания станции. Затратили на это почти… 900 тонн цемента, из которых треть «ушла» на заполнение пустот в основании здания, около 500 тонн – на обжатие породного массива (в основном процесс происходил за счет сжатия прослоев ила и глины), и лишь оставшиеся тонны – для самого строительного подъема. Но для выравнивания Загорской ГАЭС-2 планируется закачать 30,8 тыс. кубометров растворов, в том числе 13,7 тыс. кубометров пропиточных. Как говорится, почувствуйте разницу!

Для закачки растворов в каждую из скважин помещают специальные манжеты - в среднем, по 140 манжет в каждую.
Александр Попов Учредитель и шеф-редактор «Кислород.ЛАЙФ»
Если вам понравилась статья, поддержите проект