Полевые и модельные исследования проницаемости глинистой толщи зоны дислокации в районе строительства АЭС «Пакш-2», Венгрия

На начало 2024 года в Евросоюзе насчитывалось 100 действующих энергоблоков на территории 12 стран, производящих до четверти всей электроэнергии, потребляемой регионом [5]. Четыре из них расположены на венгерской атомной электростанции (АЭС) «Пакш». Проект АЭС «Пакш-2» подразумевает строительство двух дополнительных энергоблоков (ЭБ) в 100 м к северу от действующей АЭС «Пакш». Чтобы ограничить водоприток в строительный котлован глубиной 23 м и минимизировать гидродинамическое влияние на уже действующую АЭС «Пакш», было принято решение о возведении противофильтрационной завесы (ПФЗ) по контуру строительного котлована. Максимальная эффективность ПФЗ может быть достигнута путем заглубления ограждающих конструкций (стен ПФЗ) до глубины выдержанного водоупора. А наличие гидрогеологических окон в водоупорном слое является осложняющим фактором, который необходимо учитывать при проектировании водозащитных мероприятий [13]. Таким образом, в рамках данного исследования изученность гидрогеологического строения определяет безопасность строящейся АЭС «Пакш-2» и действующей АЭС «Пакш».

Гидрогеологическая схематизация изучаемой территории определена структурными особенностями геологического строения и может быть представлена в следующем виде (рис. 1).

1. Четвертичный безнапорный водоносный горизонт, субгоризонтально залегающий у поверхности земли в интервале абсолютных отметок от 97,1 до 80,0 м, сложен аллювиальными песками, гранулометрический состав которых с глубиной увеличивается от пылеватого до гравийного.
2. Верхне-неогеновый напорно-безнапорный водоносный горизонт, заполняющий переслаивающими глинистыми и супесчаными отложениями грабенообразную структуру.
3. Неогеновый глинистый слой мощностью 10—15 м.
4. Нижне-неогеновый (паннонский) напорный водоносный горизонт, сложенный песками.

Подробно гидрогеологическое строение и характеристика фильтрационных свойств приведены в [4].

Имеющийся слой глин рассматривается в качестве потенциального основания для заглубления ПФЗ. По данным, полученным в ходе бурения и комплекса геофизических работ на территории строительства новых энергоблоков, стало известно о резко невыдержанной отметке залегания глин, варьирующей от +70 до -30 абс. м. Согласно геологическим представлениям о строении территории данная структура была сформирована в результате тектонических смещений по региональной зоне дислокации Дунасентдьердь — Харта, пересекающей площадку строительства в районе проектируемого пятого энергоблока. Примечательно, что вертикальное смещение толщ фиксируется лишь в отложениях неогенового возраста, что дает основание заключить об отсутствии сейсмической опасности в регионе.

Столь масштабная (стометровая) амплитуда вертикального смещения могла привести к нарушению сплошности глинистого слоя. Исчерпывающий теоретический и литературный обзор влияния тектонических нарушений на структуру фильтрационного потока приведен в работе [9]. В общем виде на площадке строительства «АЭС Пакш-2» возможны три концептуальных схематизации деформации глинистого слоя (рис. 2):

1. Вертикальное перемещение без нарушения сплошности глинистого слоя (пликативная структура).
2. Вертикальное смещение с серией разрывных нарушений небольшой амплитуды.
3. Вертикальное перемещение с нарушением сплошности слоя (дизъюнктивная структура).

Работы, проведенные в рамках настоящего исследования, были нацелены на установление принадлежности гидрогеологического строения к одной из предложенных схематизаций. Обзор используемых для этого методов приведен ниже.

Материалы и методы

Целью настоящего исследования являлось установление не только геометрии глинистого слоя, но и его водоупорных свойств. Для этого был проведен комплекс геолого-гидрогеологических исследований, основные методы которого перечислены в настоящем разделе.

1. Бурение инженерно-геологических скважин

Для детализации глинистого слоя на площадке строительства АЭС «Пакш-2» была создана инженерно-геологическая сеть наблюдений, насчитывающая более 1000 скважин глубиной от 20 до 150 м. Чтобы определить амплитуду и геометрию вертикального смещения вдоль зоны Дунасентдьёрдь — Харта, расстояние между скважинами не превышало 20 м. В скважинах проводилось детальное описание кернового материала, была разработана система маркирующих горизонтов, проведено статическое зондирование более чем в 500 точках, выполнен комплекс скважинной и наземной геофизики включая методы вертикального электрического зондирования, межскважинного сейсмического просвечивания и многие другие [4].

2. Мониторинг за уровнем подземных вод

Часть скважин, пробуренная в рамках инженерно-геологических изысканий, в дальнейшем была использована для создания мониторинговой сети за наблюдением уровня подземных вод. Так, на территории площадки были организованы многоуровневые кусты гидрогеологических скважин, оборудованные на верхний (четвертичный) и нижний (паннонский) водоносные горизонты (рис. 3).

Наблюдательная сеть скважин служит источником информации о распределении напоров в плане и по глубине. Очевидно, что разница напоров между двумя водоносными горизонтами, разделенными водоупором, будет тем больше, чем изолирующие свойства водоупора совершеннее. Количественно данная зависимость в зоне разгрузки подземных вод может быть выражена следующим образом [2][6]:

(1)

где ΔH₀ — разница напоров, м; ε — величина инфильтрационного питания, м/сут; L — длина от водораздела до зоны разгрузки, м; k’ — коэффициент фильтрации (м/сут) и мощность m’ (м) разделяющего слоя; T₁ = k₁m₁, T₂ = k₂m₂ — проводимость верхнего и нижнего водоносных горизонтов соответственно, м²/сут; k, m — коэффициент фильтрации (м/сут) и мощность (м) водоносного горизонта.

3. Опытно-фильтрационные работы

Для количественного и качественного анализа фильтрационных свойств разделяющего слоя глин в нижнем (паннонском) водоносном горизонте были проведены четыре откачки длительностью от 5 до 7 суток с постоянным расходом от 150 до 370 м³/сут. При этом 44 скважины многоуровневой мониторинговой сети использовались для пространственного анализа гидродинамического возмущения, создаваемого откачкой по всей глубине.

На качественном уровне интерпретировать результаты подобных откачек можно с помощью индикаторного признака: наличия или отсутствия понижения на откачку из смежного водоносного горизонта. Данный алгоритм также получил название гидродинамической томографии [8][12].

Количественная оценка приводилась с помощью графиков временного S — lg(t) прослеживания по схеме неограниченного планово-однородного пласта (решение C.V. Theis, 1935 [11], (2)), а также по схеме пласта с перетеканием с поддержанием постоянного напора в смежном пласте (решение Hantush—Jacob, 1955 [10], (3):

(2)

(3)

где s — понижение в наблюдательной скважине, м; Q — расход опытной скважины, м³/сут; T = km — проводимость основного водоносного горизонта, м²/сут; k, m, S — коэффициент фильтрации (м/сут), мощность (м) и водоотдача (–) основного водоносного горизонта; a = T/S — пьезопроводность основного водоносного горизонта, м²/сут; B — параметр перетекания для одного смежного пласта, м; k’ — коэффициент фильтрации (м/сут) и мощность m’ (м) слабопроницаемого слоя; r — расстояние от опытной до наблюдательной скважины, м; t — время от начала откачки, сут; W(u, β) — функция влияния скважины с учетом перетекания [7].

Отметим, что решение Hantush—Jacob (3) стремится к решению Theis (2), если параметр перетекания стремится к бесконечности, B→∞. Данное замечание отвечает физическому смыслу: когда перетекание из смежного горизонта отсутствует, гидрогеологические условия можно схематизировать до однородного, выдержанного в плане водоносного горизонта.

4. Численное моделирование

Методы численного моделирования значительно расширяют возможности вероятностного анализа строения гидрогеологической среды [3]. Так, на откалиброванной гидрогеологической модели с помощью открытого программного кода MODFLOW сравнивались три концепции деформации глинистого слоя: 1) сплошной водоупор без разрывных нарушений (пликативная структура); 2) локальное разрывное нарушение в водоупоре и 3) протяженное линейное разрывное нарушение (дизъюнктивная структура) (рис. 2). Нарушение сплошности глинистого слоя имитировалось путем задания в модельные блоки (которые расположены вдоль линий дислокаций) повышенного коэффициента фильтрации. Критерием достоверности результатов моделирования служила фактически наблюденная разница напоров между верхним (четвертичным) и нижним (паннонским) водоносными горизонтами.

Результаты

Густая сеть пробуренных инженерно-геологических скважин значительно расширила представления о геологическом строении территории, однако не позволила сделать вывод о характере деформации глинистого слоя.

Многоуровневые кусты наблюдательных скважин на площадке АЭС «Пакш-2» стали источником информации о распределении уровней подземных вод по глубине (рис. 3). Разница уровней подземных вод между нижним (паннонским) и верхним (четвертичным) водоносными горизонтами рассматривается как косвенный признак водоупорных свойства разделяющего слоя глин. Данные, полученные в ходе гидрогеологического мониторинга за уровнем подземных вод, использовались для анализа разницы уровня подземных вод в плане. Фактическая разница в напоре (рис. 4А) сравнивалась с результатами модельных расчетов, выполненных для трех сценариев сплошности глинистого слоя (рис. 4B, C, D).

Сравнительный анализ показывает, что наличие протяженной зоны разрыва в глинистом слое (рис. 4D) существенно меняет гидрогеологический режим паннонского горизонта: на участках разрыва сплошности водоупора уровни в нем снижаются. Это приводит к сокращению разницы напоров между четвертичным и паннонским горизонтами до 2—3 м (рис. 4D) по сравнению с фактическими 4—5 м (рис. 4D). На этом основании сценарий с протяженной зоной разрыва был исключен из дальнейшего рассмотрения.

Фактическое распределение разницы напоров (рис. 4A) в целом отвечает модельному сценарию с отсутствием разрыва в сплошности глинистого слоя (рис. 4B). При этом нельзя оставить без внимания аномально низкую разницу в напорах, фиксирующуюся в районе скважины PT-2-D (рис. 4A). Данная «аномалия» может быть вызвана перетоком через гидрогеологическое окно, образовавшимся в результате вертикального смещения глинистого слоя амплитудой 100 м. Данный сценарий отвечает модельному прогнозу, отображенному на рисунке 4С (локальный разрыв). Однако данное предположение не нашло подтверждения при анализе данных откачки из скважины PT-2-D.

Качественная интерпретация пятидневной откачки из скважины PT-2-D с расходом 230 м³/сут показала, что ни в одной наблюдательной скважине, оборудованной на интервал выше кровли глинистого слоя, понижения уровня подземных вод зарегистрировано не было. В то же время все скважины, расположенные под глинистым слоем, демонстрируют схожую между собой реакцию на откачку (рис. 5A). Кривые понижения описываются прямолинейным участком без выполаживания, что свидетельствует об отсутствии перетекания из смежного водоносного горизонта.

Количественная интерпретация откачки включала аппроксимацию данных понижения аналитическим решением Theis (2) [1]. Полученные таким образом значения проводимости и пьезопроводности для каждой скважины затем подставлялись в решение Hantush—Jacob (3) для оценки потенциального параметра перетекания и, как следствие, коэффициента фильтрации разделяющего водоупора (рис. 5B). Обработка откачек проводилась в программном комплексе ANSDIMAT [7].

Из данных, представленных на графиках, видно, что понижения хорошо описываются аналитическим решением для выдержанного в плане водоносного горизонта, что подтверждает вывод о сплошности глинистого слоя (рис. 6). Оценка коэффициента фильтрации слабопроницаемого слоя (слоя глин) по решению Hantush—Jacob дает значения порядка 1,5E-04 м/сут (рис. 5B), что в целом соответствует оценкам в 2,3 E-04 м/сут, полученным по формуле (1) (при ΔH₀ = 5 м; ε = 0,00025 м/сут; L = 3000 м; m’ = 10 м; T₁ = 900 м/сут; T₂ = 80 м/сут).

Заключение

Атомные электростанции являются объектом повышенной ответственности, что предполагает наличие большого количества исходных данных, в том числе данных бурения скважин, исчисляющихся несколькими сотнями, а в отдельных случаях тысячами единиц. Данное обстоятельство, тем не менее, не гарантирует достаточности информации для схематизации гидрогеологических условий, тогда как в условиях повышенного риска обоснованное выделение гидрогеологических единиц отвечает за экономическую составляющую объекта и его безопасность.

Настоящее исследование является наглядным примером эффективности комплексного подхода для изучения гидрогеологической среды. Последовательный анализ информации из различных источников позволил методично исключить из рассмотрения концепции гидрогеологического строения, не удовлетворяющие фактическим данным. Так, с помощью данных мониторинговой сети удалось установить отсутствие выдержанного разрыва сплошности в глинистом слое, а с помощью данных многоуровневых откачек исключить наличие локальных гидрогеологических окон. Результаты гидрогеологического моделирования верифицировали интерпретацию натурных данных.

ВКЛАД АВТОРОВ / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Вилькина М.В. — внесла вклад в разработку концепции статьи, подготовила текст статьи, обработала результаты опытно-фильтрационных работ, визуализировала результаты численного моделирования, выполнила перевод на английский язык, утвердила публикуемую версию статьи и согласна принять на себя ответственность за все аспекты работы

Никуленков А.М. — разработал концепцию статьи, добавил и отредактировал текст, разработал численную фильтрационную модель, разработал концепт опытно-фильтрационных работ.

Румынин В.Г. — внес вклад в разработку концепции статьи, разработал концепции деформации глинистого слоя, разработал аналитическую зависимость для разницы напора в зоне региональной разгрузки.

Черепанский М.М. — внес вклад в разработку концепции статьи, общие правки статьи.

Mariia V. Vilkina — contributed to the development of the article concept, prepared the text of the article, analyzed the pumping tests’ results, visualized the results of the numerical modeling, translated into English, approved the published version of the article and agrees to accept responsibility for all aspects of the work.

Anton M. Nikulenkov — develop the article concept, added and edited the text of the article, developed the numerical model, developed the concept of the pumping tests.

Vyacheslav G. Rymunin — contributed to the development of the article concept, developed the concepts of the clay layer deformation, developed an analytical solution of the hydraulic head difference in the discharge zone.

Mikhail M. Cherepansky — contributed to the development of the article concept, made general comments to the article.