Вадим Затеев о землетрясениях и СШГЭС: «У плотины большой запас прочности»
Февральское землетрясение, эпицентр которого располагался в 75 км от Саяно-Шушенской ГЭС, актуализировало дискуссию о том, выдержит плотина сильные толчки или нет.
Тайга.инфо: Вадим Борисович, расскажите, как проводилось сейсмическое районирование для Саяно-Шушенской ГЭС? Как вообще проходит этот процесс?
— Есть карта общего сейсмического районирования России — ОСР. Ее составлял Госстрой совместно с Российской академией наук. Ученые определяют вероятную сейсмичность для каждого места и бьются за то, чтобы назначить данной территории как можно больший балл. Но поскольку каждый балл — это приличные вложения в строительство в плане сейсмических мероприятий, то задача Госстроя — убедиться в обоснованности аргументов сейсмологов. Для этого они тоже привлекают компетентных специалистов. Совместными усилиями и создается вот такая карта.
Раньше считалось, что сейсмически опасный район — тот, где может произойти землетрясение в 7 баллов и выше. При землетрясении в 6 баллов любое нормально построенное сооружение должно выдержать — максимум трещины появятся, но само оно не разрушится. Потом выяснилось, что там, где есть прогноз на 6 баллов, всегда возможно ожидать и 7 баллов, поэтому и для ответственных сооружений в 6-балльных районах проводятся дополнительные сейсмологические исследования.
А дальше зависит от того, какой объект планируется построить. Есть несколько типов карт — А, B, C. Для обычных объектов, разрушение которых не приведет к жертвам и значительным материальным потерям, берем карту А. В основном, именно ее используют при массовом промышленном и гражданском строительстве. На ней совсем нет зон, где может произойти землетрясение в 10 баллов. Карты В и С — для более ответственных объектов, разрушение которых может привести к тяжелым экономическим, социальным, экологическим последствиям и т.п. Для Саяно-Шушенской ГЭС берется карта С — она предполагает наивысшую сейсмичность. Кроме того, для таких объектов дополнительно проводится детальное сейсмическое районирование на предполагаемом месте возведения. Для СШГЭС его проводили в квадрате примерно 300 на 300 километров.
Тайга.инфо: Как это происходит?
— Основную информацию о возможных сейсмических событиях несут так называемые палеосейсмические данные, чаще это — палеосейсмодислокации. Если когда-то миллион лет назад произошло катастрофическое землетрясение, оно, естественно, оставило свой след на поверхности земли — резкое изменение рельефа местности, торчащую скалу, озеро и т.д. Ученые научились оценивать, действительно ли земная кора деформировалась от землетрясения, какой оно было силы, где находился эпицентр. Это основная информация для составления таких карт. Инструментальный период, когда параметры сейсмического события начали измерять аппаратурой, в лучшем случае начинает отсчет с начала прошлого века. А катастрофические землетрясения сродни геологическим процессам — для них и миллион лет не срок.
Еще один вид информации — литературные источники, былины, еще один — устное творчество. И ученые собирают эти истории, байки — может, это действительно на каком-то факте основано. Но байку не одну берут, а 10, 20 — сколько наберут. Потом уже есть основания поехать на место и посмотреть — а нет ли там следов от какой-нибудь крупной катастрофы.
Тайга.инфо: Кто занимался сейсмическим районированием, когда строили СШГЭС?
— Вообще у нас в электроэнергетической отрасли есть наиболее компетентная организация по части сейсмики — Центр службы геодинамических наблюдений в электроэнергетической отрасли (ЦСГНЭО). Сейчас они этими вопросами занимаются. А в 60-е годы перед проектированием станции приезжали сейсмологи Института физики земли — это организация Академии наук. Карта тогда была совсем другая. Ученые расставили временные сейсмические станции и попытались по известным им методикам оценить, насколько здесь опасна сейсмическая обстановка. Собственно, тогда-то они и выявили три основных сейсмогенерирующих разлома — Тувинский, Большепорожский и Борусский. Наиболее распространенная теория полагает, что землетрясения возникают, когда тектонические плиты взаимно перемещаются, натыкаются друг на друга, одна наползает на другую или соскальзывает. Всегда это приурочено к каким-то разломам земной коры. Вот ученые три таких разлома и выявили..
Потом был еще период, когда у нас работали представители Института земной коры из Иркутска, которые посчитали, что оценка Института физики земли не точна и даже выявили палеосейсмодислокации, которые не были учтены в его материалах. В 1992 году они приехали сюда с большой экспедицией, «прочесали» всю местность и дали свою оценку сейсмической опасности. Они, в частности, предположили, что на территории, которую заняло водохранилище, могли бы находиться и другие палеосейсмодислокации. В общем, провели они большую работу, в результате которой появились основания для проведения повторного детального сейсмического районирования. Вот этим у нас уже и занялся ЦСГНЭО.
Обрабатывали, в основном, ранее полученные данные, поскольку в этом деле важен свежий взгляд, ну и, конечно, искали новые палеосейсмодислокации. Например, увидели на одном из спутниковых снимков белую полосу леса, а рядом — черную. Причем, фотографировали при разном положении солнца, чтобы тень не «мешала». Что это такое? Перепад высот? Пришли туда, оказалось, это граница хвойного и лиственного леса. Просто резкая.
В 1997 году ученые сделали заключение, что здесь возможно землетрясение в 8 баллов для грунтов второй категории. Напомню, что сейсмичность сильно зависит от типа грунта. Поскольку он разный бывает — от скалы (первая категория) до обводненной супеси (третья категория), то отсчет ведут от «серединки» — грунта второй категории, для которого и назначают сейсмичность. Если вы строите на скале, то можно сейсмичность смело на балл понижать, например с 7-ми до 6-ти, а если на обводненном грунте, то у вас в этом месте будет 8 баллов. Правда, уже с 90-х годов расчет сейсмостойкости сооружений на баллы стали заменять более точными — методика изменилась. Для современных методов расчета необходимы прогнозируемые параметры гипотетического землетрясения, его еще называют расчетным. Но поскольку людям понятнее в баллах оценивать интенсивность землетрясения, ученые в официальном заключении оценили сейсмичность в месте Саяно-Шушенской ГЭС в 7 баллов для грунтов первой категории. В 2010 году ЦСГНЭО уточнило сейсмичность, повысив предполагаемую интенсивность расчетного землетрясения до 8 баллов. Однако ЦСГНЭО еще в 2002 году провело расчет сейсмостойкости плотины СШГЭС на 8-балльное землетрясение. Сделано это было в виду высокой социальной ответственности этого сооружения.
Тайга.инфо: Как будет реагировать плотина, если произойдет такое землетрясение?
— Плотина может получить небольшие трещины, но устойчивость ее обеспечена. Гидросооружения — вообще одни из самых сейсмостойких инженерных сооружений, поскольку это очень ответственные объекты. В нашей стране контроль качества строительства к ним довольно высок. В гражданском строительстве, к сожалению, контроль не столь строг. Как правильно сказал один генерал МЧС — надо не прогнозы делать, а строить правильно, тогда жертв будет гораздо меньше.
Следует помнить, что плотина — потенциально опасное гидротехническое сооружение, потому что ее разрушение несет значительные жертвы, материальные потери и прочее. Из двух типов плотин — бетонных и грунтовых — наиболее сейсмостойкие бетонные, а среди бетонных — арочные, как наша.
Сейсмическая нагрузка на плотину имеет инерционную природу. Вот, представьте, стоит у нас объект, а под ним земля резко переместилась. Сам объект обладает определенной инерцией (у него есть масса), поэтому ускорение, которое земля придала его «подошве», постепенно передается до верха, он начинает «дрыгаться» вправо-влево. В сооружении возникают дополнительные динамические напряжения. Чем больше масса, тем больше усилие. Больше усилие, соответственно, больше напряжения. Чем меньше масса объекта, тем спокойнее. Дымовые трубы, почему, как правило, не разрушаются при землетрясении? Масса небольшая, они высокие и гибкие — покачаются и остаются (если, конечно, правильно построены).
Грунтовые плотины более массивны, а выполнены из менее прочного материала, поэтому при сильном землетрясении у них могут оползти откосы — такое в истории уже бывало. Практически во всех случаях это произошло из-за недостаточного контроля состояния плотин, в первую очередь, уровня воды внутри плотины. Кстати, в Сибири грунтовых плотин немало. Их вообще больше, поскольку их дешевле строить. Проблема в том, что грунт не везде найдешь, который нужен. Тем не менее, в сейсмически опасных районах возведено большое количество грунтовых плотин, которые «пережили» не одно сильное землетрясение. Например, плотина Нурекской ГЭС — самая высокая в мире, 300 метров с небольшим. Она — грунтовая. И сейсмичность в районе ее расположения — 9 баллов. Но грунт тоже бывает разный, в средней Азии плотины в основном из скального грунта возводят, поэтому та же Нурекская более прочная, устойчивая, спокойно переносит все землетрясения, ей даже обводнение не так опасно.
Возвращаясь к вашему вопросу. По подсчетам, при сильном землетрясении на плотине Саяно-Шушенской ГЭС, в основном, в верхней ее части, вблизи гребня, могут появиться трещины, но не сквозные. А сама плотина устоит — у нее запас прочности достаточно большой.
Тайга.инфо: Сколько было сильных землетрясений за историю СШГЭС?
— Немного. И, пожалуй, землетрясение 10 февраля 2011 года было самым сильным. Его магнитуда составила 5,1, а эпицентр находился примерно в 75-80 километрах от станции — как раз на Большепорожском тектоническом разломе. У нас здесь это явление сопровождалось глухим гулом. Объясню, от чего этот гул происходит. Энергия от земли распространяется в виде упругой волны по земной коре. Сейсмическая волна — это набор гармоник разной частоты, как правило, низкочастотных, которые мы не слышим. А когда мы находимся близко к эпицентру, то высокочастотные не успевают затухнуть, поэтому мы их услышали. Точнее — они возбуждают в воздухе воздушную волну, и мы слышим ее гул.
В 2003 году произошло сильное землетрясение на Алтае. Там магнитуда была 7,5. Изменение магнитуды на единицу — это увеличение энергии в очаге почти в 32 раза. При Алтайском землетрясении было на две единицы больше, значит, энергии в ходе этого сейсмособытия выделилось в 1000 раз больше. Но расстояние от СШГЭС до эпицентра составляло более 400 километров, поэтому у нас интенсивность колебаний была 4 балла. Еще было землетрясение в Новокузнецке (у нас где-то около 3-х баллов), в Красноярске в 2001 году, а до этого такое же в 1994 году около города Шагонар в Туве.
Тайга.инфо: Есть теория о том, что водохранилище оказывает воздействие на земную кору и провоцирует землетрясения. Что вы думаете по этому поводу?
— В науке все точки зрения имеют право на жизнь, а тут ученые разделились пополам. Безусловно, водохранилище оказывает влияние. Но какое? Провоцирует сильные землетрясения или, наоборот, разряжает земную кору серией слабых? Конечно, масса водохранилища большая, дополнительная нагрузка возникает значительная, напряжения в земной коре возрастают. Но они не сравнимы с тектоническими напряжениями, это во-первых. А во-вторых, обычно сильные землетрясения происходят на глубине от 15 километров и ниже — на таком расстоянии дополнительные напряжения от веса воды в водохранилище практически не ощущаются. Хотя, повторюсь, водохранилище, естественно, деформирует земную кору.
В начале 90-х годов к нам часто приезжал Алексей Николаевич Марчук, который, будучи еще молодым комсомольским вожаком на Братской ГЭС, как-то проводил экскурсию для Александры Пахмутовой по ГЭС и так покорил ее сердце, что она даже написала песню со строчкой «Марчук играет на гитаре, а море Братское поет». Марчук был главным по гидроэнергетике в ЦК КПСС, а когда его не стало, перешел в Институт физики земли и выбрал себе такую научную стезю, как предсказание землетрясений. И директор СШГЭС, Валентин Иванович Брызгалов, «клюнул» на его вполне здравую идею о том, что наша плотина — объект, сопоставимый по масштабу с окружающими горными массивами. К тому же, она «напичкана» кучей датчиков и имеет различные измерительные системы, которые отслеживают фильтрационные процессы, перемещения плотины, сейсмические события. И, дескать, если готовится землетрясение, происходят крупномасштабные подвижки в земной коре, то этот большой объект должен на них отреагировать — датчики должны выдать информацию о так называемых предвестниках землетрясения. Мы же склонялись к тому, что это может сработать, только если очаг землетрясения будет или под плотиной или ну хотя бы в 10-15 километрах от нее. Несколько лет Алексей Николаевич проводил свои исследования, но так и не убедил нас, что наша аппаратура регистрирует предвестники землетрясения. Тем не менее, подвигнул он нас на ретроспективный анализ влияния водохранилища на сейсмичность района СШГЭС.
Тайга.инфо: В чем суть этого анализа?
Мы проанализировали сейсмические данные за три периода — до создания водохранилища, в процессе наполнения его и после набора максимальной отметки (540 м) — примерно по десять лет в каждом получилось. И выяснилось, что действительно с 1984-го по 1986 год, когда водохранилище наиболее интенсивно наполнялось, у нас на Большепорожском разломе, на правом берегу, произошла локальная серия землетрясений — около 15-16 их было. Можно сказать, анализ показал, что была возбужденная, как ее называют, сейсмичность, связанная с набором воды в водохранилище, которая выразилась в серии небольших по мощности толчков. И теперь мы каждый год регулярно анализируем сейсмические данные и убеждаемся, что наблюдения не дают основания для вывода о необходимости переоценки сейсмической обстановки в районе гидроузла СШГЭС. Если и возникают какие-то землетрясения, то они никак не приурочены к уровню верхнего бьефа, скорее всего, это просто природные явления. Возможно, в середине 80-х и готовилось какое-то сильное землетрясение в районе Большепорожской сейсмогенерирующей зоны, но оно разрядилось серией вот таких небольших толчков и подвижек.
Другой пример: в Индии есть плотина Койна. Район, в котором она расположена, считался сейсмически не опасным. Но когда водохранилище почти наполнили, там «шарахнуло» землетрясение чуть ли не в 10 баллов. Между прочим 100-метровая бетонная плотина получила лишь незначительные повреждения, хотя эпицентр был «в двух шагах». Сразу же поднялся шум, дескать, видели? «Это все водохранилище виновато!» — говорили одни сейсмологи. А другие возражали — землетрясение могло бы произойти, даже если бы мы на пять лет позже наполнили, вы можете это отрицать? Нет, не можете. То есть, гарантии в 100% в этом вопросе никогда не будет. Скорее всего, это — природное явление. Время пришло, кора земная разрядилась. Сильные землетрясения готовятся заранее, а наполнение водохранилища просто могло стать спусковым крючком. Кстати, водохранилище СШГЭС еще не самое крупное — то же Братское почти в семь раз, по-моему, больше по объему.
Тайга.инфо: Как сейчас оценивается сейсмическая обстановка вокруг СШГЭС? Сколько здесь сейсмостанций расположено вокруг?
— Скажу, что сейчас идет очередной всплеск увлечения сейсмостанциями локальной сети. У нас в нормах записано, что в сейсмически опасных районах на ГЭС должны быть организованы инженерные сейсмологические наблюдения, должна быть создана локальная сеть сейсмостанций. И все. Сколько, где, как — там не прописано. Генеральное направление задано, давайте, делайте. Мы в начале 90-х начали создавать эти станции. Тогда одновременно чуть ли не до пяти штук их функционировало. Локальные станции находятся на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга. Как правило, стоит избушка с сейсмической аппаратурой — сейсмодатчик и регистрирующая аппаратура. Тогда регистрировали на фотобумагу. Но это потом обрабатывать — глаза сломаешь. Барабан вращается не быстро, по времени разрешение маловато. Скорость вращения барабана — миллиметр в секунду была, ничего там почти и не увидишь. Несколько лет вели наблюдения, выяснили, что практической пользы для нас от этих наблюдений нет. Что четыре сейсмостанции, что одна — информация одна и та же. Только дублируется все. Так постепенно все это дело на нет и сошло. Потом появилась цифровая аппаратура, у которой разрешение по времени стало существенно больше. А методики анализа практически не поменялись. Когда к нам приходят сейсмологи и начинают агитировать, мол, давайте развернем сейсмостанции, у нас к ним первый вопрос — а что ГЭС практически с этого дела будет получать? Мы ведь — производственный объект, наше дело — безопасность ГЭС обеспечивать и электрическую энергию вырабатывать. При всем желании ответить им пока нечего.
Тайга.инфо: А что может станция поиметь в результате такой работы?
— Ну, в идеале, прогноз землетрясения. Хотя это маловероятно. Не помню точно, кажется, в 80-х годах был конгресс сейсмологов, на котором они приняли меморандум о том, что существующий уровень знаний не позволяет прогнозировать землетрясения, а те, кто это делают — шарлатаны. В то же время, работа в области прогнозирования землетрясений ведется на самом высоком уровне, попытки все равно предпринимают, разрабатывают самые разные методики. Интересно, что единственный известный за всю историю краткосрочный прогноз землетрясения сделали ученые в Китае. Они сказали, что в таком-то городе, достаточно крупном по населению, завтра — чуть ли не час указали — будет землетрясение. Эвакуировали народ, все выключили. И оно случилось! Дали всем по «медали». Ну, ученые вдохновились и следующий прогноз дают, дескать, будет там-то, тогда-то. Снова всех эвакуировали. А землетрясения нет. Потом подсчитали, сколько денег потратили на эвакуацию, выяснилось, что на устранение разрушений после землетрясения гораздо меньше денег ушло бы.
Я помню, МЧС, где-то в начале 90-х годов объявило конкурс на предсказание землетрясений. Правила были простые — нас не интересует, как вы предскажете. Главное — правильно. Кто это сделает, получит такой-то грант на исследования. Все начали работать, но выиграть никому не удалось.
Реальной практической пользой от работы сейсмологов может быть переоценка сейсмической опасности (как правило, в большую сторону). Естественно, увеличение расчетной сейсмичности приведет к значительным затратам на обеспечение сейсмостойкости существующих объектов, может быть, даже к необходимости ликвидации тех, сейсмостойкость которых не отвечает повысившимся требованиям. Однако безопасность того стоит.
Инженерно-сейсмологические наблюдения на СШГЭС не давали каких-либо важных для деятельности станции результатов. Но просто так деньги тратить никому не хочется. Поэтому науку поддерживали какое-то время, потом опять свернули. Сейчас работает сейсмостанция в Черемушках, настроенная на регистрацию очень слабых землетрясений. На сильных аппаратуру зашкаливает. Есть еще две автономных сейсмостанции — одна на правом берегу возле устья ручья Джойская Сосновка и вторая, «Джой», напротив на левом берегу, но она законсервирована. До Джойской Сосновки по прямой от плотины километров 7-8, по дороге — около 12-ти. Там вырубили в скале пещеру, сделали из бетона постамент, установили аппаратуру. Сейчас поднимают вопрос, чтобы развернуть еще три сейсмостанции автономного типа, которые позволяют накапливать информацию, непрерывно пишут все колебания. Но проблема в том, что это дело надо охранять — народ у нас ушлый.
Кстати, когда в 2003 году на Алтае произошло сильное землетрясение, до нас докатились толчки в три балла. Тогда в поселке как раз были руководители ЦСГНЭО, правда, они ничего не почувствовали — находились на улице. Я тогда пришел на сейсмостанцию, посмотрел на сейсмограмму и понял, что по некоторым признакам это землетрясение произошло в районе Борусского хребта. Тогда у меня, признаться, коленки дрогнули — эта зона ближе всего к нам, если там произошло ощутимое землетрясение, то за ним может последовать еще более сильное, значит, Борус «проснулся». А до этого, надо отметить, он за всю историю наблюдений никакой активности не проявлял. Однако поскольку большую часть сейсмограммы «зашкалило», мы воспользовались аппаратурой пониженной чувствительности, которая стоит у нас на плотине. Там уже четко было видно, что очаг на расстоянии 400 километров от СШГЭС.
Тайга.инфо: Как плотина отреагировала на землетрясение 10 февраля?
— Вблизи плотины интенсивность колебаний от этого землетрясения составила 5 баллов. У нас были работники, которые находились в это время в плотине на 440 отметке. Говорят, загудела она, затряслась. Землетрясение случилось в обед, перед которым уже был проведен плановый осмотр плотины, после него планировался выход в плотину только нескольких групп обходчиков. А тут всех «в ружье» и — вперед, осматривать. У нас на такой случай заранее расписано, показания каких датчиков в первую очередь снимать надо. Досрочно включили автоматизированную систему опроса датчиков (она обычно с 2 до 4 утра работает, датчиков ведь больше 1000). Однако главное — поскорее провести визуальный контроль сооружений, так что, чем больше людей, тем лучше. Вдруг где-то трещины появились, вода просочилась. Но разрушений, трещин, водопроявлений никаких не выявили. Потом обработали данные всех систем измерения — тоже все нормально. То есть плотина упруго сработала на эту дополнительную нагрузку. Покачалась, в основном, в сторону верхнего и нижнего бьефа, и все.
За сезон гребень плотины перемещается примерно на 70 миллиметров при сработке-наполнении водохранилища. По расчетам при самом сильном для нас расчетном землетрясении перемещения гребня плотины будут где-то порядка 35 миллиметров, как будто полуторная гидростатическая нагрузка на нее. Напряжения в плотине при землетрясении в 5 баллов возникают совсем небольшие. Они не сопоставимы с теми напряжениями, которые вызывает постоянно действующая на плотину гидростатическая нагрузка. Поэтому не стоит ждать, что в каких-то зонах разрушится бетон.
Тайга.инфо: Есть мнение, что землетрясения подбираются все ближе к СШГЭС. Мол, сначала они происходили в прилегающих к границе с Хакасией районах Тувы, потом вот сильное на Большепорожском произошло. Следующий — Борусский?
— Ну, это уже из области прогноза землетрясений, не по «нашей части». Впрочем, в долгосрочных и даже среднесрочных прогнозах сейсмологи уже преуспели. Могу посоветовать обратиться к ним, например, в Геофизическую службу СО РАН (Новосибирск). Мы же при анализе сейсмичности не сильно Тувой интересуемся — очень далеко от нас. Зону влияния водохранилища на сейсмичность мы, как и многие другие специалисты, ограничили 50-ю километрами от берега водохранилища. Считается, что если землетрясение в этой зоне произойдет, то, с большей вероятностью, его спровоцировало водохранилище.
Елена Шкарубо
Спасибо, Вадим Борисович. Как всегда, всё по делу, конкретно и без словоблудия.