Ангел Захариев  – УАСГ, Георги Франгов – ВСУ „Любен Каравелов“, Живко Иванов – „Хидросис Инженеринг“ ЕООД, София  

През 50-те и 60-те години на XX век в България са изградени над 80 хидроенергийни комплекса в горните и средните течения на всички по-големи реки.

С малки изключения те функционират успешно, но след продължителната им експлоатация естествено е да настъпят известни деформации в конструкциите и е целесъобразно да се извърши оценка на актуалното им състояние и при необходимост да се предприемат мерки за повишаване на тяхната устойчивост и дълготрайност.

Изготвянето на технически паспорти на сградите съгласно [1] и необходимостта за установяване на действителните технически характеристики и сигурността на строежите от голямо значение в национален мащаб, каквито са ВЕЦ, налага обследването на сградите и съоръженията им.

Основна задача на разработката е обследване за установяване на техническите характеристики на конструкцията на ВЕЦ „Росица 1”.

ВЕЦ „Росица 1“ е първо стъпало от хидроенергийната схема на яз. „Ал. Стамболийски”. Пусната е в експлоатация през 1954 г. Разположена е непосредствено под язовирната стена. Състои се от водовземна кула, напорен тръбопровод, минаващ през тялото на стената, машинна сграда, изтичало, преливник и долна вада.

Сградата на централата е разположена към въздушната страна на десния бряг на стената на язовир „Александър Стамболийски”. Проектирана и изпълнена е от стоманобетонна скелетна конструкция с пълнеж от тухлени стени, като подземната част е стоманобетонна конструкция и бетонни стени с армировъчни пояси по височина. Конструирана е от две части, разделени с деформационна фуга – енергоблок (турбинна зала, шибърно помещение) и сграда (с командна зала, ЗРУ – 20 кV, трансформаторни килии) - фиг. 1а.

Енергоблокът има подземна и надземна част. В подземната част под кота 154,20 се помещават турбинна зала, шибърно помещение, маслено стопанство, кабелни канали и др.

В надземната част на сградата се помещават: на кота 154,20 – машинна зала с генератор, килии - силови трансформатори, работилница; на кота 154,60 – командна зала; на кота 161,00 – ЗРУ – 20 kVA. Централата е оборудвана с вертикална хидрогрупа, с генератор окачен тип – комплексна доставка на предприятие ЧКД. Турбината е тип „Каплан” на вертикална ос.

Енергията, произведена от ВЕЦ „Росица 1”, се изпраща в района по далекопроводи 20 kV чрез подстанция „Росица”, излишната енергия се трансформира на 110 kV.

Методика на обследването и анализа

За целите на обследването е разработена методика, обхващаща всички технически, експлоатационни и технологични аспекти на работа на конструкцията. Тя се състои в изясняване на следните основни аспекти на конструкцията на сградоцентралата:

- Запознаване с наличната проектна и екзекутивна архивна документация за обекта - проведен е детайлен преглед на наличната строителна документация с оглед идентификация на типа на конструкцията, типа на фундиране, установяване на геометрични размери на елементите, експлоатационните натоварвания, вида на вложените материали и резултати от проведени други обследвания.

- Визуално обследване - визуалното обследване на носещата стоманобетонна конструкция се извърши на достъпните места. Целта на обследването е проверката и установяването на видимите промени в разположението на елементите на конструкцията, неотразени в строителната документация, и наличието на увреждания по различните й елементи вследствие на типови въздействия на експлоатационната среда.

- Определяне на действителната якост на натиск на бетона - вероятната якост на натиск е определена по безразрушителен метод съгласно БДС EN 12504-2:2005: изпитване на бетон в конструкции. Част 2: Изпитване без разрушаване.

- Определяне големината на отскока; БДС EN 13791:2007/NA:2011.

- Оценяване якостта на натиск на бетона на място в конструкции и готови бетонни елементи. Национално приложение (NA).

- Определяне дебелината на бетонното покритие и наличието на армировка. Дебелината на бетонното покритие и положението на армировката на монолитните елементи, установена от сравнително пълната проектна документация на обекта по част конструктивна, беше проверена в местата на вземане на ядки за изпитване на бетона на конструкцията след направени разкрития в зоната, където се намира наличната надлъжна или напречна армировка.

- Химически анализ за определяне степента на карбонизация на бетона от бетоновото покритие на носещата армировка - степента на корозия на бетона е определена въз основа на визуален и измерителен контрол. Визуалният контрол обхваща: положение и вид на пукнатините, предизвикани от корозия на армировъчните пръти, изменение на цвета на бетона, разрушение на бетоновото покритие, промяна на структурата на бетона и др. Измерителният контрол обхваща: състояние на бетонното покритие, състояние на армировката, изследване промяната на рН на бетона вследствие на карбонизация.

Резултати от конструктивното обследване и анализ на състоянието на конструкцията

При статическия и динамичния анализ на сградата са приети статични товари според наличните статически изчисления от запазената документация на проекта (фиг. 2). Към тях са добавени натоварване от земетръс. Сградата на ВЕЦ „Росица 1” е изследвана съгласно районирането на Република България [3] за период на повторяемост 1000 годни при:

- интензивност на земетресението VIII степен;

- група на почвата (0,8<ри=0,9/Ти<2,5) А група;

- коефициент на сеизмичност Кс=0,15;

- коефициент на значимост IV категория на строежа, определени в БДС EN1998-1 C=1,5;

- коефициент на реагиране (R) R=0,28.

При обследването са разглеждани два модела на конструкцията: Първи модел - при приети схема за запъване на колоните на връхната конструкция на кота ±0,00 и връзки колона-греда тип става.

Втори модел - при приети схема за запъване на колоните на връхната конструкция на кота ±0,00 и връзки колона-греда тип корава връзка или тип става в зависимост от начина на конструиране.

От направения статичен и динамичен анализ на напрегнатото и деформирано състояние на съставните конструктивни стоманобетонни елементи на сградата на ВЕЦ „Росица 1” предвид натоварванията и въздействията, приети според [3] и [4], и съчетания за определяне на граничните оразмерителни усилия се направиха следните основни констатации:

За покривната конструкция на сградата, изчислена самостоятелно с приети ставни стъпвания на колоните на конструкцията, след оразмеряване може да се твърди, че армировката, заложена в покривните греди, е недостатъчна за поемане на усилията, възникващи в тях.

За определените основни и извънредни натоварвания, както и за други въздействия от кратковременни натоварвания, които могат или не могат да бъдат степенувани, стоманобетонната конструкция на сградата не е осигурена както във вертикално направление, така и в хоризонтална посока.

Подкрановите греди на сградата са с достатъчно армировка да поемат усилията, възникващи в тях от вертикален товар, но в хоризонтално направление армировката им е недостатъчна.

За извънредни съчетания при натоварване от земетръс и при двете статически схеми в напречно направление сградата не е осигурена.

Конструкцията на сградата на ВЕЦ „Росица 1” не е изследвана на въздушен удар, експлозия, пожар и извънредни ситуации предвид съвременните заплахи.

В резултат на проведените проучване на проектната документация, визуално обследване, обектов измерителен контрол, лабораторни изпитвания и проведения статико-динамичен анализ могат да бъдат направени следните изводи относно общото състояние на носещата конструкция на сградата на ВЕЦ „Росица 1”:

- Проектирането на сградата на ВЕЦ „Росица 1” е извършено в периода 1950 г. - 1952 г. от Хидротехническа дирекция на „Енергопроект” и същата представлява монолитна стоманобетонна конструкция, разделена на две части от деформационна фуга. Основни конструктивни елементи в подземната част на сградата са бетонни стени по периметъра на сградата, фундаменти под турбините и междуетажни стоманобетонни плочи, а на надземната част - съответно стоманобетонни колони, подкранови греди и покривна конструкция, състояща се от напречни ригели и надлъжни стоманобетонни греди.

-  За изграждане на носещата конструкция на сградата са използвани 3 основни рецепти за изготвяне на бетона. Стоманобетонната конструкция е изпълнена с армировъчни стомани класове А1 и All. Бетоновите работи са изпълнени по специален технологичен проект, който не е представен по време на изготвяне на техническата експертиза.

- В резултат на проведеното визуално обследване в настоящата техническа експертиза се установи, че елементите от носещата конструкция на сградата са с дефекти и трябва да бъдат възстановени въз основа на индивидуални проектни решения до постигане на необходимата им носимоспособност.

- По време на обследването не бяха установени съществени дефекти на стоманобетонните колони от надземната част на сградата, подкрановите греди и междуетажните подови плочи. Изключение прави колона К-III, в която е налична хоризонтална пукнатина през цялата й видима част. В резултат на проведения оглед бяха установени пукнатини и в зоната на деформационната фуга (фиг. 1в), която, въпреки че е била замазвана неколкократно, отново се е отворила, което води до извода за продължаващо движение на двете тела на сградата едно спрямо друго, а хоризонталната пукнатина в колона К-III, както и други пукнатини, се предполага, че е от локално или неравномерно слягане на земната основа в зоната под колоната.

- Сериозни и закономерни пукнатини бяха установени по стените на сградата в зоната на генераторната шахта, при колони К-III, К4 и К5 (фиг. 1г), където бяха установени наклонени пукнатини при най-слабия участък на стената – щурца над отвора за прозореца. Наблюдава се счупване на прозорците вследствие на деформациите, предизвикани от локално или неравномерно слягане на земната основа в зоната.

- По време на обследването на стоманобетонните периферни стени на сградата в зоната на шибърния етаж беше установена вертикална пукнатина в греда II (фиг.1б), премостваща отвора за напорния тръбопровод.

- Дълбочината на карбонизация на бетона от стоманобетонните елементи на надземната част варира в границите от 10,1 mm до 21,3 mm, като се наблюдава дълбочина на карбонизация над 20 mm.

Геотехнически условия на площадката

Полевата проучвателна работа включва оглед и документиране на терена и сградата на ВЕЦ „Росица”, направа на 3 вертикални електросондажа (ВЕС). Използвани са също и налични проектни напречни профили през изкопите за фундиране на сградоцентралата. Тя е разположена непосредствено под стената на яз. „Ал. Стамболийски”. В геоморфоложко отношение площадката попада върху тераса на едноименната река и подножието на делувиален склон. Надморската височина на естественото речно корито в този участък е около 40 - 50 м.

В регионален геоложки аспект районът е изграден от следните формации - долна креда, представена от еменска (еК1b-аз) и белоречка свита (bК1ap) [5].

Еменската варовикова свита показва значително разнообразие в литоложкия си състав - от светли, чисти афанитови варовици до кристалинни и органогенни варовици. Максималната разкрита дебелина на свитата е 200 м. Белоречката свита покрива еменската и се разкрива в откосите на Севлиевските височини и Деветашкото плато. Изградена е от глинести мергели. Дебелината й е до 130 м.

Кватернер - по произход седиментите са алувиални и делувиални. Алувиалните образувания покриват долнокредните седименти по долината на р. Росица и притоците й, където са с най-голямо площно разпространение. Представени са от чакъли, пясъци и глини с дебелина до 15 м. Делувият е образуван по склоновете на хълмовете и речните тераси и е изграден от песъчливи глини с дребен до среден чакъл с дебелина 2 – 4 м.

В тектонско отношение разглежданата площадка попада в обсега на преходната тектонска зона между Мизийската платформа и същинския Предбалкан. Преходният й характер се обуславя от сравнително слабите нагъвателни тектонски процеси, които са извели пластовете от тяхното естествено залягане. Водохранилището е разположено в долните граници на Белоградчишката антиклинала и в средната част на Търновската синклинала, а горната му част попада в северното крило на Севлиевската антиклинала.

Долната част на водохранилището, попадаща в границите на Белоградчишката антиклинала, и горната му част към гр. Севлиево са заети от водоплътните неокомски песъчливи и глинести мергели. Средната част е изградена от непропускливи аптски мергели, над които се разкриват аптски песъчливи варовици.

Язовирната стена и сградоцентралата са изградени върху дриновски варовик съгласно възприетата терминология от проектантите на хидровъзела [2], чиято дебелина достига до 39 м (фиг. 3). Под него лежи 10 м ядков варовик, след което следва мощен пласт неокомски мергели. Наклонът на пластовете е 14° по течението на реката с простирание изток-запад. Дриновският варовик е изпъстрен от редица прослойки с мощност от няколко мм до 20 см. Най-характерната от тях е така наречената Г-прослойка с мощност 20 см, представена от глинесто-песъчлив материал. Тази прослойка е разположена на 12 м под горния хоризонт на дриновския варовик и следва наклона на напластяването.

Над дриновския варовик по бреговете на реката се редуват 0,80 м мергел, 0,80 м зидарски варовик, 8 м мергел и 8 м ядков варовик, а над него следват пластове от баремски и ядков варовик с мощност около 10 м. Земната основа на сградоцентралата е нееднородна и се характеризира с контрастни деформационни свойства. В зависимост от генезиса, литоложките особености и физикомеханичните показатели на разновидностите, установени в проучвателните изработки и естествените геоложки разкрития, са отделени три инженерногеоложки пласта - насип, кватернерна песъчлива глина с чакъли и скална подложка от редуващи се долнокредни варовици и мергели.

Насипът (пласт 1) е положен около сградата на ВЕЦ „Росица” при вертикалната планировка на терена. Дебелината му е променлива и зависи основно от морфологията на подстилащия терен. Достига до 10-12 м. Насипът е изграждан челно и не е уплътняван послойно. С течение на времето под действие на инфилтрацията на атмосферни води, динамични въздействия, частично изветряне и разрушаване на ръбовете на скалните блокове е настъпил процес на самоуплътнение на насипа.

Теренната повърхност над него е слегнала неравномерно от 0,20 м до 0,50 м. Външните бетонни стълби и тротоарът също са слегнали и са се напукали, асфалтовата настилка е деформирана (фиг. 4а). По бермата на насипа са оформени дупки – губилища на повърхностния отток (фиг. 4б). В тях дребните фракции са отмити и са проникнали в големите празнини между скалните блокове в дълбочина на насипа.

Освен естествените процеси, водещи до самоуплътнение на насипа, за неравномерното му слягане допълнително въздействие оказва концентрираното изливане на атмосферни води от водосточните тръби.

Кватернерна среднопластична чакълеста песъчлива глина (пласт 2) с дебелина до 1,70 м заляга под насипа и покрива долнокредната скална подложка. Образувана е от изветрял в различна степен скален материал, който е транспортиран от повърхностно течащите води и е натрупан в подножието на делувиалния склон.

Долнокредни варовици и мергели (пласт 3) залягат под кватернерната песъчлива глина или се разкриват на теренната повърхност по десния бряг на р. Росица. Пластът е изграден от средно изветрели варовици, напукани напречно и успоредно на наслояването. В разкриващия се откос и в дълбочина се прослоява от мергели с дебелина до 1,0 – 2,0 м. Наклонът на пластовете е 10-15° в северна посока.

При строителството на сградоцентралата изкопите за фундирането й са направени с различна дълбочина с оглед достигане на относително хомогенна земна основа. Целта е била да се отстрани т. нар. делувий – пласт 2, и да се достигне до здрава основа. В източна посока това е постигнато и фундаментите изцяло са разположени върху скална подложка, която притежава много добри физико-механични показатели и практически не сляга под действието на натоварванията от сградата. В западна посока на дъното на строителния изкоп е останала неиззета малка част от кватернерната песъчлива глина, върху която са попаднали част от фундаментите.

Дискусия

В процеса на експлоатация земната основа под действието на статичните и динамичните въздействия е реагирала по различен начин и това е довело до напрежения в конструкцията. В източната част скалната подложка не е слегнала и по конструкцията не се установяват никакви пукнатини. В западната част, където почвата под фундаментите не е отстранена, е протекъл процес на консолидация и това е довело до слягане на земната основа в границите на 3 – 8 см. Допълнително много съществено влияние върху този процес оказва и скалният насип, който натоварва почвата със

σz=0,300 МРа при носеща способност Ro=0,250 МРа. Слягането на кватернерната глина е съпътствано и от частично изтласкване на почвата в поровото пространство на трошения камък вследствие на промяна на консистенцията й от инфилтрация на атмосферни води през насипа. Глинестият запълнител понижава значително ъгъла на вътрешно триене на трошения камък и коефициента на филтрация.

Неравномерното слягане на земната основа предизвиква появата на пукнатини по сградата, които са разположени в западната част. Тяхното пространствено положение и напукването на пода на партерния етаж на сградата потвърждават тезата за неравномерно слягане. Появата на пукнатините е от началото на 80-те години на ХХ век, когато тяхната интензивност е била много по-висока. Впоследствие постепенно е настъпил процес на стабилизация на взаимодействието между сградата и земната основа, за което съдим по отсъствието на белези за съвременна активност, но което не се потвърждава от инструментални режимни наблюдения.

Заключение

Проведеното изследване на актуалното състояние на ВЕЦ „Росица“ след 60-годишна експлоатация дава основание за следните изводи и препоръки: В конструктивно отношение сградата на ВЕЦ „Росица 1” не отговаря на нормативните изисквания за нормална експлоатация, като се създават предпоставки за настъпване на аварийна ситуация и разрушение при екстремни натоварвания поради факта, че същата не е осигурена в надлъжно и напречно направление и не са изградени пространствени укрепващи връзки, обезпечаващи общата устойчивост на сградата. С оглед осигуряване на конструкцията на съвременните изисквания за експлоатация на ВЕЦ се налага предприемане на технически мерки за укрепването на конструктивните елементи и осигуряване на конструкцията на хоризонтални въздействия.

Земната основа на сградоцентралата се състои от кватернерна среднопластична чакълеста песъчлива глина с дебелина до 1,70 м, залягаща върху долнокредни изветрели и напукани дебелослойни варовици, прослоени от мергели с дебелина до 1,0-2,0 м. Наклонът на пластовете е 10-15° в северна посока.

Фундаментите на водноелектрическата централа са разположени на различни нива за достигане до здрава основа. Под източната секция фундаментите изцяло са разположени върху скална подложка, докато под западната секция на дъното на строителния изкоп е останала неиззета малка част от кватернерната песъчлива глина.

Консолидацията й е довела до неравномерно слягане на земната основа и поява на пукнатина между двете секции.

Регистрираните деформации не застрашават устойчивостта и сигурността на ВЕЦ „Росица”. За следене поведението на земната основа, както и реакцията на конструкцията би било полезно провеждането на екстензометричен мониторинг за установяване на актуалните деформации и премествания по пукнатините. За повишаването на носещата способност на почвата да се изготви проект за нейното заздравяване. Задължително да се изведат атмосферните води встрани от сградата.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Наредба №5/28.12.2006 г. за техническите паспорти на строежите.

[2] Дамянов, Д и др. (ред). 1965. Резултати от стопанската и техническата експлоатация на големите язовири в НР България. Хидровъзел „Ал. Стамболийски“. -

ДИ „Техника“, 13-73.

[3] Наредба №2/2007 за ПССЗР'2007.

[4] Наредба №3 за натоварване и въздействие върху сгради и съоръжения, 2005.

[5] Хрисчев, Хр., Л. Недялкова. 1991. Геоложка карта на България, М 1:100 000.

Картен лист Севлиево. Комитет по геология, ВТС, гр. Троян.