Гуреев А.М., Кравец М.С., Воронков О.К. Методика составления моделей водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехнических сооружений. П 54-90 - файл n1.doc

приобрести
Гуреев А.М., Кравец М.С., Воронков О.К. Методика составления моделей водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехнических сооружений. П 54-90
скачать (3122 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3122kb.08.07.2012 00:25скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5
МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ГЛАВТЕХСТРОЙ


ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ
имени Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА


МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ
СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ В ОСНОВАНИЯХ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(Пособие к СНиП 2.02.02-85)

П 54-90
ВНИИГ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1992

Методика базируется на представлении о трещиноватых скальных массивах, служащих основаниями крупных инженерных сооружений, как о дискретной, неоднородной и анизотропной среде зонально-блочного строения.

Работа включает обоснование и методику анализа данных опытно-фильтрационных полевых работ и их интерпретацию при распространении на пространство скального массива в форме масштабно-понятийных моделей водопроницаемости.

Составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

Предназначена для инженеров-геологов, гидрогеологов, проектировщиков, занимающихся обоснованием гидротехнического строительства.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Строительство гидротехнических сооружений в сложных инженерно-геологических условиях повысило требования проектирования к качеству изысканий и исследований оснований. Для обоснования проектов противофильтрационных и дренажных устройств необходимо знать распределение характеристик водопроницаемости (коэффициента фильтрации и удельного водопоглощения) в основании плотины, т.е. создать модель водопроницаемости1.

1 Ряд авторов именуют ее «фильтрационной моделью», а также «моделью фильтрационных свойств». По-видимому, «фильтрационная модель» должна быть более информативной, т.е. помимо параметров водопроницаемости включать распределение в массиве значений критической скорости движения воды в трещинах, критического градиента напора, упругой и гравитационной водоотдачи и др.

Необходимость в методике ее составления определяется еще до сих пор бытующим, недостаточно системным подходом к интерпретации данных о водопроницаемости оснований плотин без учета структурной неоднородности и анизотропии скальных массивов. При этом фильтрационные разрезы, независимо от структуры основания, представляются слоистыми (с границами приблизительно параллельными дневной поверхности), т.е. учитывают лишь разную степень экзогенного изменения пород. Такое упрощение реальной картины нередко приводит к нежелательным последствиям - изменениям в проектах, ошибкам в определении объемов цементационных работ или осложнениям в эксплуатации гидроузлов.

Во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, начиная с 1967 г., под руководством А.М. Гуреева разрабатывалась методика обобщения материалов гидрогеологических исследований на геоструктурной основе. Методика апробирована при исследованиях оснований Саяно-Шушенской, Красноярской, Колымской, Могилев-Подольской, Ингурской, Чарвакской ГЭС, Константиновского, Стрыйского гидроузлов и др., в том числе при моделировании методом ЭГДА на плоских разнородно-проницаемых электрических моделях.

Сходный методический подход по данному разделу инженерно-геологического моделирования развивался в Гидропроекте В.В. Каякиным и А.И. Каякиной (Токтогульский, Курпсайский, Чарвакский гидроузлы, плотина Папанского водохранилища) [29].

Различным вопросам фильтрационного моделирования скальных оснований посвящены работы Г.М. Ломизе, М.В. Раца, С.Н. Чернышева, Л.А. Ароновой, В.Н. Жиленкова, Л.Н. Павловской, А.В. Андрианова, В.З. Чечота, А.К. Мастицкого и др. Однако до настоящего времени отсутствовало методическое пособие по построению моделей водопроницаемости.

В настоящей работе с позиции дискретного (зонально-блочного) строения скальных массивов изложена методика составления моделей водопроницаемости скальных оснований плотин. Показаны способы выявления зон сосредоточенной фильтрации и суффозионного выноса фильтрационным потоком заполнителя трещин и карстовых полостей. Изложены общие предпосылки возникновения и развития суффозии в скальных массивах. Показана возможность использования гидравлических данных, полученных при строительстве противофильтрационных завес, для уточнения модели водопроницаемости.

Методика составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГа А.М. Гуреевым, М.С. Кравец, О.К. Воронковым.

В подготовке работы к изданию принимал участие И.С. Брюн. В анализе материалов на конкретных объектах участвовали Л.И. Антонова (Саяно-Шушенский, Константиновский, Ингурский гидроузлы), М.П. Леонов, Т.В. Моисеенко, С.М. Румянцева (Чарвакский гидроузел).

Научное редактирование выполнено зав. лабораторией инженерной геологии и геокриологии канд. геол.-мин. наук Н.Ф. Кривоноговой и зав. лабораторией фильтрационных исследований доктором техн. наук В.Н. Жиленковым.

При составлении Методики были учтены замечания и предложения ряда организаций: Гидропроекта им. С.Я. Жука, ЛГТУ, Ленгидропроекта, а также специалистов ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

При подготовке данной редакции использованы советы и замечания В.Н. Жиленкова, Г.В. Катульского, Н.Н. Кондратьева, Н.Ф. Кривоноговой, В.М. Лебедева, Л.Н. Павловской, И.А. Пирогова, Л.Ф. Фурсова, Н.И. Шевченко.

Министерство энергетики и электрификации СССР

Методика составления моделей водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехнических сооружений

П 54-90
ВНИИГ

Внесена Всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом гидротехники им. Б.Е. Веденеева

Утверждена
ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева решением № 20
от 6 ноября 1990 г.

Срок введения
I кв. 1992 г.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Область применения

1.1. Настоящей Методикой целесообразно руководствоваться при:

- инженерно-геологических изысканиях, гидрогеологических исследованиях;

- анализе и обобщении данных опытно-фильтрационных работ;

- разработке моделей водопроницаемости, необходимых для проектирования подземного контура высоконапорных плотин, расчетов фильтрационных расходов, расчетов местной фильтрационной прочности, обоснования параметров противофильтрационных и дренажных устройств, конструкций, проектирования цементационных завес и определения ожидаемого поглощения цемента.

Методика может использоваться также для построения физических моделей с целью фильтрационных исследований (методом электрогидродинамических аналогий - ЭГДА и др.) при определении основных параметров фильтрационного потока: градиентов напора в теле цементационной завесы, градиентов напора на выходе фильтрационного потока в дренаже и в нижний бьеф, противодавления на подошву плотины, фильтрационных расходов, формы и параметров фильтрационного потока в береговых примыканиях и др.

Примечания: 1. Настоящая Методика может быть использована также при:

изысканиях и исследованиях скальных и полускальных оснований сооружений тепловых и атомных электростанций, транспортных сооружений;

изучении массивов в связи с проведением горных работ;

изучении подземных горных выработок;

проектировании и разработке карьеров и других подобных объектов.

2. При использовании настоящей Методики следует также соблюдать требования СНиП на проектирование оснований гидротехнических сооружений (2.02.02.85), на инженерные изыскания для строительства (1.02.07-87), ГОСТ 25100-82 и другие общесоюзные и ведомственные документы, относящиеся к вопросам инженерно-геологических изысканий и исследований.

3. Настоящая Методика не рассматривает вопросы фильтрационных расчетов оснований и экспериментального моделирования методом ЭГДА (см. СНиП 2.02.02-85 и Пособие к СНиП II-16-76) [49].

4. Настоящая Методика не рассматривает вопросы фильтрационного моделирования многолетнемерзлых скальных оснований, но применима к таликовым зонам области многолетней мерзлоты.

1.2. Важнейшими характеристиками водопроницаемости, рассматриваемыми в Методике, являются:

удельное водопоглощение породы q (л/минЧмЧм) - расход (в литрах за 1 минуту) нагнетаемой в скважину воды, отнесенный к интервалу длиной 1 м и к напору, равному 1 м столба воды; общепринята упрощенная запись размерности q - л/мин;

коэффициент фильтрации Кф (м/с или, м/сут) - скорость фильтрации через единицу поперечного сечения грунта при гидравлическом градиенте (H/L), равном единице (Н - разность напоров; L - длина пути фильтрации).

Между величинами q и Кф существуют тесные корреляционные связи (r і 0,95). В практике инженерно-геологических изысканий скальных оснований допустимо принимать примерное равенство численных значений q (л/минЧм2) и Кф (м/сут). По данным В.М. Насберга, в различных массивах пород основной диапазон изменения отношения qф = 0,64ё1,44.

1.3. Массивы скальных пород характеризуются широким диапазоном изменения водопроницаемости: 10-3ё103 л/мин. Различие величин q до 5 - 6 порядков встречается в пределах одного массива. Например, монопородный (гранитный) массив участка Колымского гидроузла характеризуется значениями q = 0,001ё1270 л/мин. Большой разброс величин q в одном и том же массиве объясняется наличием редких, но широко раскрытых трещин. При этом длина опытных интервалов (обычно 5 - 10 м) сопоставима с расстояниями между крупными трещинами. Точность единичного определения характеристики водопроницаемости оценивается предельными ошибками порядка 40 % (метрологические - 20ё30 %, методические - 10ё12 %) [23]. Классификация скальных оснований по водопроницаемости приведена в табл. 1 (СНиП 2.02.02-85).

1.4. В Методике используется следующая терминология.

Водопроводимость - фильтрующая способность отдельных элементов скальных массивов: пластов, зон, отдельных трещин и т.д., выраженная через произведение коэффициента фильтрации этого элемента на его мощность. Для пакетов или пачек пластов, состоящих из пород с различными коэффициентами фильтрации, водопроводимость пакетов или пачек будет равна сумме произведений коэффициентов фильтрации на мощность каждого из пластов, образующих пакет или пачку пород.

Таблица 1

Степень водопроницаемости

Коэффициент фильтрации Кф, м/сут

Удельное водопоглощение q, л/мин

Практически водонепроницаемые

Менее 0,005

Менее 0,01

Слабоводопроницамые

0,005 - 0,3

0,01 - 0,1

Водопроницаемые

0,3 - 3

0,1 - 1

Сильноводопроницаемые

3 - 30

1 - 10

Очень сильноводопроницаемые

Свыше 30

Свыше 10

Водопроницаемость - свойство грунта, заключающееся в способности среды пропускать сквозь себя воду (основное фильтрационное свойство горных пород в массиве или в образце).

Водоупор - практически водонепроницаемый слой грунта, подстилающий водопроницаемое основание плотины.

Дарси - проницаемость, при которой на длине пути фильтрации 1 см по направлению струи через породу с поперечным сечением 1 см2 и перепаде давления 0,1 МПа в течение 1 с проходит 1 см3 жидкости вязкостью в 1 сантипауз.

Действительная скорость фильтрации - средняя скорость движения жидкости в открытых порах и трещинах (пустотах) среды, т.е. расход фильтрационного потока, отнесенный к действительной площади только фильтрующего сечения (площади всех пустот).

Ламинарная фильтрация - движение фильтрующей жидкости со скоростью, линейно зависящей от градиента напора.

Механическая суффозия - размыв грунта фильтрационным потоком, проявляющийся в виде отрыва и перемещения отдельных его частиц и агрегатов грунта внутри полостей, пор, каверн и трещин.

Модель - абстрактное (понятийное) или вещественное отображение объектов или процессов, адекватное исследуемым объектам (процессам) в отношении некоторых заданных критериев.

Модель гидрогеологическая скального массива - пространственное распределение гидрогеологических характеристик массива (коэффициентов фильтрации, удельных водопоглощений, скоростей фильтрации, дебитов, напоров, минерализации, химического состава, температуры подземных вод и т.п.), представленное в виде системы вертикальных и горизонтальных сечений скального массива, а также вспомогательных схем, диаграмм и др.

Модель водопроницаемости скального массива - составная часть гидрогеологической модели, характеризующая распределение значений коэффициента фильтрации или удельного водопоглощения.

Модель инженерно-геологическая - комплекс моделей, включающий группы: а - основной модели (геоструктурной - строения и состояния массива); б - вспомогательных моделей (литолого-петрологической, структурно-тектонической, экзогенного изменения пород, геофизической, напряженного состояния массива); в - прикладных или специализированных моделей: свойств, природных процессов, взаимодействия массива с сооружением.

Подземный контур бетонного напорного сооружения - условная линия, ограничивающая снизу водонепроницаемые части сооружения и противофильтрационные конструкции, и отделяющая эти части от водопроницаемого грунта, служащего его основанием.

Пористость общая скальной породы в образце и в массиве - совокупность всех пор и трещин (исключая трещины с минеральным заполнителем типа кварца, кальцита и др.), численно равная объему всех пор и трещин в единице объема породы.

Путь сосредоточенной фильтрации - участок горных пород, проводящий через себя значительный объем фильтрационного расхода воды данного (рассматриваемого) скального массива.

Скорость фильтрации - воображаемая (условная) скорость движения фильтрующейся в грунте жидкости, равная отношению ее расхода в данном живом сечении к полной площади этого сечения.

Сплошная среда - модель, в которой предполагается условно, что жидкость движется не только в порах или трещинах, но и через твердую фазу пористого трещиноватого тела.

Среда анизотропная (изотропная) в отношении водопроницаемости - среда, в любой точке которой коэффициент фильтрации (удельное водопоглощение) зависит (не зависит) от направления фильтрации.

Среда неоднородная (однородная) - среда, в которой коэффициент фильтрации (удельное водопоглощение) зависит (не зависит) от координат области фильтрации.

Среда кусочно-однородная - среда, состоящая из однородных по водопроницаемости участков, на границах которых коэффициент фильтрации изменяется дискретно.

Суффозионный грунт - грунт, внутри которого или на его внешней границе под воздействием фильтрации могут возникать (при определенных критических скоростях фильтрации) опасные фильтрационные деформации, т.е. перемещение частиц грунта, ведущее к опасным деформациям скелета грунта и недопустимому снижению его несущей способности.

Суффозионная устойчивость - сохранение частицами грунта своего первоначального положения при воздействии на них фильтрационного потока.

Турбулентная фильтрация - движение фильтрующей жидкости со скоростью, пропорциональной градиенту напора в степени меньше единицы.

Фильтрационный поток - поток фильтрующейся в грунте жидкости.

Фильтрация - движение жидкости в пористо-трещиноватой среде скальных грунтов или пористой среде нескальных грунтов.

Принятые обозначения

Условные обозначения, единицы измерения

В работе используются следующие обозначения физических величин:

Н - напор, Па;

Р - давление, Па;

r - радиус выработки и цилиндрического канала, м;

d - раскрытие трещины, м;

S - понижение или повышение уровня при откачке или нагнетании, м;

М - мощность водоносного горизонта, м;

R - радиус влияния, м;

h - глубина середины интервала опытного нагнетания (откачки) от поверхности скальных пород, м;

l - длина интервала опробования и расстояние между трещинами, м;

Q - расход воды, м3/с; л/мин; 1 л/мин = 16,67ґ10-6 м3/с;

q - удельное водопоглощение, л/минЧм2;

Кф - коэффициент фильтрации, м/с; 1 м/сут = 1,16ґ10-5 м/с;

Кп - коэффициент проницаемости, м2; 1 дарси = 1,02ґ10-12 м2;

Т = КфМ - водопроводимость пласта, зоны и т.д., м2/с;

 - коэффициент пересчета, безразмерный;

Ka = qІ/qў - коэффициент анизотропии, безразмерный;

Кд - коэффициент действительной скорости фильтрации, м/с;

u - скорость фильтрации, м/с;

uкр - критическая скорость фильтрации, м/с;

J - градиент напора, безразмерный;

Jкр - критический градиент напора, безразмерный;

Reк - критическое значение числа Рейнольдса, безразмерное;

А, В - гидравлические параметры шероховатости стенок трещины, м;

S* - коэффициент извилистости трещин, безразмерный;

m - динамическая вязкость воды, пуаз, ПаЧс; 1 пуаз = 0,1 ПаЧс;

v - кинематическая вязкость воды, м2/с; 1 стокс = = 1ґ10-4, м2/с.

1.5. Под моделью водопроницаемости понимают схематизированное пространственное распределение величин Кф или q, значения которых определяются гидрогеологическими или геофизическими методами. Такая модель должна характеризовать неоднородность и анизотропию массива по характеристикам водопроницаемости путем интерпретации значений Кф или q (полученных экспериментально, а также по корреляционным связям и расчетам) на геоструктурной основе, т.е. с учетом: нарушении сплошности различных порядков в массиве; литолого-петрологических особенностей; подзон экзогенного изменения (выветривания и разгрузки естественных напряжений) пород. На практике модель водопроницаемости представляют в виде серии масштабных разрезов, срезов на различных отметках, а также специализированных карт (например, рельефа поверхности относительного водоупора с q < 0,01 л/мин), схем, таблиц и диаграмм. Рассматриваемая модель относится к разряду масштабно-понятийных.

1.6. При построении моделей водопроницаемости можно использовать два разных подхода:

- зональный способ районирования на квазиоднородные (по Кф или q) элементы; при этом приближенно, на основе геоструктурной модели, выделяют контуры элементов, которые затем характеризуются средними (арифметическими или геометрическими) значениями водопроницаемости и их среднеквадратическими отклонениями (либо диапазоном изменений q или Кф при заданной обеспеченности); этот способ рекомендуется использовать при малом объеме опытно-фильтрационных работ, в условиях малых выборок;

- способ изолиний значений Кф или q рекомендуется при большом числе опытов по определению характеристик водопроницаемости; его преимущество состоит в возможности уточнения по конфигурации изолиний контуров квазиоднородных инженерно-геологических элементов и путей сосредоточенной фильтрации.

При выборе способа построения модели необходимо учитывать не только объем исходных данных определения водопроницаемости, но и весь комплекс геологической и геофизической информации о характере изучаемого разреза, что позволило бы судить о наличии в массиве резких границ раздела по показателям свойств, либо о постепенном их изменении с глубиной.

Учитывая реальную неравномерность распределения точек опытно-фильтрационных данных в массиве основания, возможно сочетание обоих способов. В этом случае интерпретацию, где это возможно, выполняют по способу изолиний, а окончательный вид модели водопроницаемости - «зональный». Последний моделирует кусочно-однородную среду - объект фильтрационных расчетов и исследований методом ЭГДА [58].

1.7. Модели водопроницаемости скальных оснований должны составляться на каждом этапе и стадии проектирования с нарастающей подробностью и обоснованностью в соответствии с рекомендуемым масштабом чертежей:

а) исходная (масштаб 1:25000 - 1:5000); предпроектная документация: схема использования реки;

б) предварительная (1:5000 - 1:1000); предпроектная документация: ТЭО;

в) основная (1:1000); проект;

г) уточненная (1:1000 - 1:500 и крупнее); рабочая документация.

В качестве основы каждой из перечисленных выше моделей водопроницаемости следует принимать соответствующую геоструктурную модель основания, исходя из обусловленности характеристик фильтрационных свойств скальных массивов основными особенностями геологического строения и историей их развития. Таким образом, составленная на каждой стадии изысканий модель водопроницаемости должна учитывать соответствующую этой стадии информацию о структуре массива, результаты обобщения материалов для оснований-аналогов, данные опытно-фильтрационных и геофизических работ, возможных расчетов водопроницаемости по параметрам трещиноватости, режимных наблюдений за фильтрацией в период разработки подземных выработок и котлована.

Строгое нормирование объемов гидрогеологических работ, необходимых для построения моделей водопроницаемости на всех стадиях проектирования, невозможно в силу индивидуальных особенностей состава, строения и состояния каждого массива. В качестве основного принципа при установлении необходимого объема работ должно быть условие обеспечения репрезентативности выборки характеристик водопроницаемости в пределах квазиоднородного элемента модели.

Исходную модель рекомендуется составлять, используя аналоги и результаты геофизических работ. Рекомендуемые ориентировочные объемы опытно-фильтрационных работ по стадиям проектирования показаны в табл. 2-2 (Приложение 2).

1.8. При составлении моделей водопроницаемости скальных массивов необходимо учитывать их особенности как среды зонально-блочного строения:

а) все естественные скальные массивы представляют собой дискретную1, расчлененную трещинами среду зонально-блочного строения, преимущественно трансверсально-изотропного типа с осесимметричной анизотропией (слоистые, сланцеватые и расслоенно-трещиноватые породы), либо ортотропного типа (интрузивные и глубокометаморфизованные нерасслоенные породы с четко выраженными ортогональными системами трещин);

1 Дискретная среда - неоднородная, с резкими изменениями характеристик свойств в соседних структурных элементах, в частности, сложенная из отдельностей, не связанных между собой значительными силами сцепления. Сцепление отдельностей на один - два порядка меньше сцепления той же породы в монолитном образце, а водопроницаемость такой среды - на два и более порядка выше, чем в образце.

Дискретность среды по одной из характеристик свойств не всегда сопровождается дискретностью среды по другим характеристикам.

б) в каждом скальном массиве присутствует пространственная сеть тектонических разрывных нарушений и трещин разных размеров, обычно характеризующихся линейно-плоскостной формой развития. Располагающиеся в ячеях этой сети блоки пород имеют различные размеры, форму и ориентацию. Такое повсеместно проявляющееся в массивах любого генезиса сочетание сети зон ослабления с расположенными в ее ячеях блоками позволяет считать зонально-блочное строение (рис. 1) характерной особенностью скального массива;



Рис. 1. Генетические объемные элементы геоструктурной модели скального массива (а) и схема зонально-блочного строения (б)

в) мощность зон местного ослабления пород в массиве зависит от генезиса, размеров и кинематики образования трещин и тектонических разрывных смещений, развивающихся унаследованно по фазам тектогенеза. Первичные литогенетические трещины пород при тектонических деформациях трансформируются по-разному. При изучении и структурном анализе трещиноватости необходимо учитывать доминирующее влияние именно тектонических воздействий, определяющих их порядок (табл. 2);

Таблица 2

Классификация по характеру нарушения сплошности массива (СНиП 2.02.02-85 с дополнениями)

Характер нарушения сплошности массива

Мощность зоны дробления разлома или ширина трещин

Протяженность нарушения

Разломы I порядка - глубинные, сейсмогенные

Сотни и тысячи метров

Сотни и тысячи километров

Разломы II порядка - глубинные, частично сейсмогенные

Десятки и сотни метров

Десятки и сотни километров

Разломы III порядка

Метры и десятки метров

Километры и десятки километров

Разломы IV порядка

Десятки и сотни сантиметров

Сотни и тысячи метров

Крупные трещины V порядка

Свыше 20 мм

Свыше 10 м

Средние трещины VI порядка

10 - 20 мм

1 - 10 м

Мелкие трещины VII порядка

2 - 10 мм

Менее 1 м

Тонкие трещины VIII порядка

1 - 2 мм

Менее 1 м

Локальные трещины IX порядка - внутри пластов, слоев, породных блоков

Менее 1 мм

Менее 1 м

Примечания: 1. Мощность зоны влияния нарушения оценивается на порядок больше мощности зоны дробления или ширины трещины; амплитуда смещения разломов - на порядок меньше протяженности нарушения.

2. Классификация носит приближенный (оценочный) характер; конкретный массив может характеризоваться местной системой разрывов, соотношение зоны дробления и протяженности нарушения которого может отличаться от классификационной характеристики.

г) генетические объемные элементы массива (рис. 2), квазиоднородные по генезису, литолого-петрологическому составу, структуре, текстуре и блочности, именуются структурно-петрологическими элементами (СПБ - структурно-петрологическими блоками, СПЗ - структурно-петрологическими зонами);

д) части СПБ и СПЗ, квазиоднородные и по состоянию, именуются соответственно инженерно-геологическими блоками (ИГБ) и зонами (ИГЗ). Выделение контуров ИГБ и ИГЗ проводится по границам их градаций (А, Б, В и Г) по степени влияния процессов разгрузки и выветривания: подзона А - очень сильного (до элювия), Б - сильного, В - среднего, Г - слабого (практически сохранные породы). Поэтому при составлении модели водопроницаемости массивов систематизация, анализ и интерпретация данных опытно-фильтрационных работ должны производиться с обязательным учетом контуров СПЗ, СПБ, ИГЗ и ИГБ на основе геоструктурной модели [18, 48].



Рис. 2. Схема зонально-блочного строения скальных массивов в основаниях сооружений

А, Б, В, Г - подзоны влияния процессов разгрузки естественных напряжений и выветривания: А - очень сильного (элювий); Б - сильного; В - среднего; Г - слабого (сохранные породы).

Все СПБ, СПЗ, ИГБ и ИГЗ скальных массивов состоят из элементарных породных блоков (ЭПБ), формы, размеры и укладка которых определяются пространственной сетью блокообразующих трещин - элементарных зон ослабления пород (ЭПЗ).

1.9. Движение подземных вод в трещинно-пористой (а также трещиной, либо трещинно-трещинной) среде, какой является любой скальный массив, имеет следующие закономерности, подлежащие учету при составлении модели водопроницаемости:

а) неоднородность и анизотропия скальных массивов как естественно-исторических образований обусловливают, в частности, неоднородность и анизотропию по характеристикам водопроницаемости; фильтрационная неоднородность скальных массивов проявляется в контрастности, в резком повышении водопроницаемости в зонах тектонических разрывных нарушений, ориентация которых может благоприятствовать развитию сосредоточенных путей фильтрации с турбулентным режимом, а не с ламинарным - характерным для остальных частей массива с мелкой и общей трещиноватостью. Выявление и характеристика водопроницаемости таких зон в основаниях плотин является первостепенной задачей изысканий. Необходимо также иметь в виду редкие, но возможные случаи, когда тектонические нарушения являются барражами для подземных вод;

б) направление, скорость и режим фильтрации зависят от элементов залегания пород, ориентации пространственной сети трещин, геометрических параметров трещин, степени выветрелости пород, состава заполнителя трещин и др. в сочетании с положением основной дрены (реки) в рельефе участка гидроузла. При заполнении водохранилища направление, скорость и режим движения подземных вод в зоне фильтрационного контура изменяются;

в) в трещинно-пористой (а также трещинной, либо трещинно-трещинной) среде скальных массивов фильтрация происходит в основном по трещинам, так как сами породы в куске или элементарном породном блоке (ЭПБ) обладают, как правило, низкой межгранулярной пористостью и малой водопроницаемостью. В скальном массиве встречаются разновидности пород разной прочности, разной степени деформированности и трещиноватости, существенно различающиеся и по водопроницаемости.

Системный характер трещиноватости скальных массивов обусловливает следующие три основные схемы фильтрации по трещинам.

Первая схема рассматривает фильтрацию по протяженным трещинам напластования слоистых и расслоенных толщ пород, каждый пласт которых рассечен двумя ортогональными системами трещин отрыва. Частота трещин отрыва примерно обратно пропорциональна мощности пласта. Эта схема характерна для массивов осадочных и метаморфических парапород, а также для крупных по размерам массивов интрузивных и метаморфических ортопород, в которых обычно развиты пологие протяженные трещины пластовой отдельности. Такие массивы обычно анизотропны по характеристикам водопроницаемости.

Вторая схема рассматривает фильтрацию по прерывистым кулисообразным пологим трещинам пластовой отдельности, расчлененным по нормали к ней тремя системами первичных контракционных трещин отрыва, образующих в плане шестиугольник базальтической отдельности. Такая схема характерна для молодых и современных эффузивов, не подвергавшихся постгенетическим тектоническим деформациям. Водопроницаемость таких массивов может быть сильной и очень сильной (в соответствии с классификацией табл. 1).

Третья схема представляет собой сочетание первой или второй схемы с дополнительными трещинами отрыва и скалывания, образующими примерно симметричную зону приразрывного кливажа вдоль плоскостей сместителя тектонических разрывных нарушений. Тектонические зоны включают: 1) подзону сместителя с глинкой трения, зачастую слабоводопроницаемую; 2) подзоны разлинзования, водопроницаемые; 3) подзоны оперения, обычно сильноводопроницаемые. Мощность этих подзон пропорциональна амплитуде тектонических разрывных смещений в соответствии с их порядками (табл. 2).

Необходимо учитывать, что в результате избирательного влияния процессов выветривания и разгрузки естественных напряжений каждая из указанных трех схем может усложниться за счет дополнительного раскрытия ранее существовавших трещин, а также образования новых в подзонах А, Б, В на глубину в несколько десятков метров, реже - 100 м и более (Приложение 1).

Рассмотренные упрощенные три схемы для конкретных условий могут подразделяться на подварианты, учитывающие различные граничные условия, морфологию и размеры трещин, состав и степень заполнения трещин, наличие водоупорных прослойков и контактов и др.

1.10. Для изучения водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехнических напорных сооружений следует использовать полевые методы гидрогеологических исследований:

а) опытные откачки и нагнетания воды, нагнетания воздуха в одиночные буровые скважины в интервалы стандартной длины равной 5 или 10 метрам; выполнение этих работ регламентируется ГОСТ 23278-78, а также указаниями и инструкциями, разработанными в Гидропроекте им. С.Я. Жука [25, 43, 52, 57];

б) наблюдения за режимом подземных вод, позволяющие с большой достоверностью судить об эффективной водопроницаемости массива и его отдельных частей, о наличии в массиве зон повышенной проницаемости; гидрогеологические наблюдения в процессе проходки скважин и штолен, дающие полезную качественную информацию об относительной водопроницаемости различных частей массива, о наличии в нем путей возможной сосредоточенной фильтрации;

в) геофизические исследования в скважинах, между скважинами и на дневной поверхности (Приложение 2).

1.11. Возможность суффозии нескальных грунтов, заполняющих полости трещин и карстовые полости, оценивается по результатам лабораторных исследований физико-механических свойств материала заполнителей и его фильтрационной прочности в соответствии с Руководством, подготовленным во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева [56].

На стадии рабочего проектирования при составлении уточненных моделей водопроницаемости основания рекомендуется использовать результаты гидравлического опробования буровых скважин первой очереди, выполняемых Гидроспецстроем или другими организациями при устройстве противофильтрационных завес.

2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ И ИХ АНАЛИЗ

2.1. Достоверность значений q и Кф и соответствие методики проведения опытов требованиям нормативно-методических документов [25, 43, 52, 57] следует оценивать по материалам первичной документации опытно-фильтрационных работ. Не соответствующие этим требованиям дефектные данные опытов необходимо исключить из дальнейшего рассмотрения. Результаты правильно проведенных опытов, сильно отличающиеся от фоновых значений водопроницаемости (на несколько порядков), должны учитываться, даже если они выходят за интервал «Трех сигм» (трех среднеквадратичных отклонений). Такие экстремальные величины характеристик Кф или q обычно находят свое объяснение в структурных особенностях изучаемого массива и отображаются в контурах элементов модели водопроницаемости.



Рис. 3. К оценке коэффициента перехода от удельного водопоглощения q к коэффициенту фильтрации Кф (по данным Л.Н. Ткаченко, А.М. Гуреева, В.В. Каякина, И.А. Пирогова)

1 - диабазы, граниты; 2 - песчано-глинистые отложения; 3 - известняки, доломиты; 4 - граниты (Красноярская ГЭС); 5 - кристаллические сланцы (Саяно-Шушенская ГЭС); 6 - долериты (Братская, Усть-Илимская ГЭС); 7 - известняки (Чарвакская ГЭС); 8 - известняки (Токтогульская ГЭС); 9 - флиш (Курпсайская, Нурекская ГЭС).

2.2. Основной объем определений водопроницаемости (q) в массиве выполняется методом нагнетаний (наливов) воды в скважины, а одиночные (контрольные) поинтервальные откачки позволяют находить значения Кф. Для каждого объекта исследований рекомендуется устанавливать методом парной корреляции связь lgКф = f(lgq). Для приближенных оценок можно использовать данные рис. 3, либо принимать примерное равенство численных значений q (л/мин) и Кф (м/сут). Согласно СНиП 2.02.02-85 величина отношения Кф/q = 0,5ё3,0. Обобщающие графики (рис. 3, кривые 1 - 3), составленные по данным больших выборок (сотни значений), дают отношение Кф/q = 1,0ё4,5 в диапазоне q = 0,001ё10 л/мин.



Рис. 4. Схема определения глубины зон опытных нагнетаний в буровые скважины от поверхности скальных горных пород в зависимости от положения стволов скважин относительно рельефа

Б. С. (60°) - ствол буровой скважины с наклоном 60°; вертикальные пунктиры - глубины границ интервалов опытных зон от кровли скальных пород.

Модель водопроницаемости следует составлять на основе значений Кф либо q. Если модель строится по значениям Кф, то имеющиеся величины q необходимо пересчитать в Кф. И наоборот, Кф следует пересчитать в q, если модель строится по величинам q.

2.3. Необходимым вспомогательным материалом для построения модели водопроницаемости служат графики q(h) и q(hабс), либо Кф(h) и Кф(hабс), где h - глубина от поверхности скальных пород по вертикали до середины интервала опробования; hабс - абсолютная отметка середины интервала опробования. Указанные графики недостаточно строить «в целом по массиву»; необходима серия графиков раздельно для различных геоморфологических элементов (левый берег, дно долины, правый берег), различных структурно-петрологических элементов (СПЗ, СПБ) и гидродинамической зональности (п. 2.4).



Рис. 5. Принципиальная схема расчленения структурно-петрологических элементов скального основания на их инженерно-геологические части (объемные элементы-блоки) в зависимости от геоморфологических и гидрогеологических условий

I - дренированные борта каньона и их части; II - зона сезонных колебаний зеркала подземных вод в бортах; III - обводненная зона бортов и ее части; IV - обводненная подрусловая зона и ее части: П - правая; Ц - центральная; Л - левая.

График q(h) позволяет выявить влияние выветривания и разгрузки естественных напряжений на водопроницаемость. Значение h вертикальных скважин определяется по разности абсолютных отметок поверхности скальных пород и середины интервала опробования. Для скважин, пробуренных наклонно, в том числе пройденных из штолен, значения h по вертикали следует определять в соответствии с рис. 4.

График q(hабс) позволяет выявить приуроченность зон повышенной водопроводимости (в частности, путей сосредоточенной фильтрации) к определенным абсолютным отметкам, что характерно для закарстованных оснований, районов молодого и современного вулканизма и др.

Примечание. В условиях каньонообразных или глубоко врезанных речных долин с крутыми бортами следует строить также графики q(h^) или q(L), где h^ - глубина по перпендикуляру от поверхности скальных пород; L - заглубление в массив по горизонтали. В указанных условиях такие графики дадут полезную информацию о влиянии выветривания и разгрузки естественных напряжений на водопроницаемость.

2.4. Водопроницаемость и режим фильтрации в различных частях скального массива зависят также от их приуроченности к одной из гидродинамических зон: а) зоне аэрации; б) зоне сезонного колебания уровня подземных вод; в) зоне полного водонасыщения; г) зоне глубинной циркуляции. При большой ширине русла реки и асимметрии долины возможна более дробная систематизация фактического материала, при условии достаточного для статистической обработки числа опытов в каждой зоне (рис. 5). Рекомендуемое обязательное разделение дренированной и водонасыщенной зон в бортах долины связано и с методическими различиями в проведении опытов в этих зонах (наливы и нагнетания).

В закарстованных массивах целесообразно разделять гидродинамические зоны по схеме Г.А. Максимовича (рис. 6), так как каждая из этих зон характеризуется своим водным режимом, наличием или отсутствием напора, положением относительно эрозионного вреза, преобладающим направлением движения, скоростью фильтрации, т.е. присущим этой зоне направлением гидрогеологического процесса.



Рис. 6. Схема гидродинамических зон карстового массива, прорезанного рекой (Г.А. Максимович, 1958 г.)

I - зона поверхностной циркуляции; II - зона вертикальной нисходящей циркуляции; IIа - подзона подвешенных вод на местных водоупорах; III - зона колебания уровня карстовых вод или переходная; IV - зона горизонтальной циркуляции; V - зона сифонной циркуляции напорных вод; VI - зона поддолинной или подрусловой циркуляции; VII - зона глубинной циркуляции.

Карстовые источники зон циркуляции: А - вертикальной нисходящей; Б - подвешенных вод; В, Д - сифонной; Г - переходной; Е - разгрузка вод зоны горизонтальной циркуляции в речные отложения.

2.5. Фактические данные опытно-фильтрационных работ целесообразно сводить в табличную форму (табл. 3), в которой помимо общепринятых сведений отмечается отнесение интервала к соответствующему структурно-петрологическому элементу (СПБ, СПЗ), а также категория представительности материала опробования массива в зависимости от принадлежности интервала опробования к одному, двум или трем различным элементам строения массива:

I категория - вся длина интервала опробования находится в пределах одного СПБ или СПЗ;

II категория - длина интервала захватывает два генетических элемента, например, СПБ и СПЗ;

III категория - интервал опробования захватывает три и более генетических элемента, например, СПБ основной породы, СПЗ - тело маломощной жилы и СПЗ - ее контакт с вмещающей породой.

Схема оценки категорий представительности значений q показана на рис. 7.

Таблица 3

Объект                                                                                 Скважина № …………………….

Разрез                                                                                   Абс. отм. устья скважины

Геоморфологический элемент                                         Угол наклона ……………………

(правый, левый берег, русло)                                            Азимут наклона …………………

Абс. отм. уровня подз. вод

Интервал опытного нагнетания от устья, м

Длина интервала, м

Водопоглощение q, л/мин

Границы генетических структурно-петрологических элементов в пределах опытного интервала скважины, м

Длина СПЭ в интервале

Индекс СПЗ или СПБ

Категория представительности

Примечание (возможные поправки величины q)

 

м

%




от

до

 

14,90

19,65

4,75

0,7

Жила диабаза 13,75 - 16,40

1,50

34

СПЗ 4а

II

 

 

Парасланцы (контакт) 16,40 - 17,40

1,00

22

СПЗ 5б

I - II

 

 

Парасланцы (вне контакта) 17,40 - 19,65

2,25

44

СПБ 1

III

 

 

37,85

44,20

6,35

0,03

Тело жилы диабаза 36,55 - 45,55

6,35

100

СПБ 4а

I

 

 

25,25

30,55

5,30

0,05

Переходная зона орто-парасланцев 100 %

5,30

100

СПБ 3

I

 

 

45,15

52,55

7,40

0,02

Ортосланцы 100 %

7,40

100

СПБ 2

I

 

 



Рис. 7. Схема оценки категорий (I - III) представительности данных опытно-фильтрационных работ.

2.6. Сгруппированные по СПЗ и СПБ с учетом геоморфологических, гидрогеологических условий и категории представительности значения q (или соответствующие Кф) анализируются путем:

- построения графиков q(h) или Кф(h) в полулогарифмическом масштабе (рис. 8);



Рис. 8. Изменение значений удельного водопоглощения q с глубиной h от поверхности скального массива в структурно-петрологическом блоке парасланцев основания Саяно-Шушенской ГЭС

1 - I категория представительности; 2 - II категория представительности; ломаными линиями соединены среднеинтервальные значения q; плавными кривыми - «скользящее» осреднение среднеинтервальных значений q.

- построения графиков q(haбс) или Кф(haбс) в таком же масштабе;

- проверки закона распределения водопроницаемости для выделенных элементов массива и в целом по массиву; в общем случае эти распределения могут соответствовать различным законам, из которых, руководствуясь практическим опытом, целесообразно рассматривать два: нормальный и логнормальный. Используя вероятностную бумагу [35], с достаточной для практических целей точностью легко определить близость к соответствующему типу распределения: а) если распределение q аппроксимируется на вероятностной бумаге прямой, то оно близко к нормальному; б) если распределение q не аппроксимируется прямой, а распределение lgq аппроксимируется прямой, то оно близко к логнормальному (рис. 9);



Рис. 9. Нормальное (а) и логнормальное (б) распределения и их представление соответственно на вероятностной (в) и логарифмически-вероятностной (г) бумаге.

- подсчета среднеинтервальных (в диапазоне глубин Dh » 10 м, причем с возможным перекрытием, например, в диапазоне 10 - 20 м, 15 - 25 м, 20 - 30 м и т.д.) значений водопроницаемости:

для случаев нормального распределения ;

для случаев логнормального распределения ;

для случаев, когда трудно однозначно судить о характере распределения (в частности, для малых выборок), целесообразно определить как среднее арифметическое qa, так и среднее геометрическое qг. Аналогичные рассуждения справедливы и применительно к Кф;

- последовательного соединения среднеинтервальных значений ломаной линией и ее последующим сглаживанием методом скользящего осреднения («сглаживание тройками» [40]). Анализ конфигурации ломаной линии по ряду графиков q(h) или q(haбс) может, оказаться полезным для уточнения геоструктурных построений и установления сосредоточенных путей фильтрации при построении модели водопроницаемости. Скользящее осреднение соседних трех точек с последовательным смещением на один шаг необходимо для суждения о «тренде» (систематической компоненте) изменения водопроницаемости в зависимости от h (рис. 10) или haбс.



Рис. 10. Изменение величин q карбонатных пород в массиве основания Ингури ГЭС в зависимости от геоморфологии долины, заглубления h в массив и типов его генетических объемных элементов

а - опытное опробование массива на высоких отметках (Н = 415ё470 м); б - то же на средних отметках = 350ё415 м); в - то же на низких отметках (Н = 280ё350 м); г - массив в целом и с учетом его генетических элементов;

1 - экспериментальные значения q; 2 - среднеарифметические значения  в интервалах h; 3 - скользящее осреднение среднеарифметических значений ; 4 - среднегеометрические значения  в интервалах h; 5 - кривая среднеарифметических значений  в сохранных породах СПБ; 6 - то же в подзонах смесителей; 7 - то же в подзонах оперения тектонических смещений.

2.7. Графики q(haбс) или Кф(haбс) позволяют анализировать влияние на современные характеристики водопроницаемости этапов врезания реки в ее ложе, выражающихся в высотном положении речных террас, с чем связано, в частности, развитие карста в карбонатных породах. Например, показанные на рис. 11 пики резкого увеличения, водопроницаемости в известняках района Чарвакской ГЭС соответствовали отметкам развития речных террас в долине р. Чирчик. Полезны такого вида графики в районах, сложенных вулканическими породами, для которых характерна сравнительно высокая водопроницаемость, особенно в краевых зонах, и ее крайне неравномерное распределение в разрезе. В массивах, сложенных другими разновидностями пород, графики q(haбс) способствуют выявлению субгоризонтальных и пологонаклонных зон высокой водопроницаемости. Необходимо иметь в виду, что графики q(h) и q(haбс) не заменяют один другого, а являются необходимым дополнением друг друга.



Рис. 11. Изменение величин удельного водопоглощения в зависимости от абсолютных отметок средних глубин опытных интервалов в известняках первой пачки нижнего карбона (C1) на участке основания Чарвакской ГЭС

1 - интервалы с карстовыми полостями; 2 - интервалы с тектоническими нарушениями; 3 - интервалы без карстовых полостей и тектонических нарушений; 4 - осредняющая для интервалов без карста и тектонических нарушений; 5 - осредняющая для массива в целом; 6 - осредняющая для интервалов с карстом и тектоническими нарушениями.

2.8. Характер кривых q(h) позволяет ориентировочно разбить изучаемый разрез на диапазоны глубин h, где среднее значение q может быть принято приблизительно постоянны (не зависящим от h), и, следовательно, в каждом из таких диапазонов h могут быть определены средние значения водопроницаемости и среднеквадратические отклонения на основе достаточно большого статистического материала. Применительно к рис. 8 такими диапазонами глубин h могут быть:

- в породах I категории представительности: 0 - 15 м; 15 - 50 м; 50 - 100 м; ввиду сравнительно небольшого отличия значений q во втором и третьем диапазоне, они могут быть объединены при дальнейшей статистической обработке;

- в породах II категории представительности: 0 - 10 м; 10 - 75 м; 75 - 100 м.

2.9. Для обоснования проектных решений по водоотливу и строительному водопонижению котлованов рекомендуется построение плановых схем водопроницаемости (см. также п. 4.1; рис. 3 - 11). Систематизацию данных опытно-фильтрационных работ в этом случае выполняют на геоструктурной основе (плановых схемах-срезах) с использованием основных принципов, изложенных в пп. 2.1 - 2.5.

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ В СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ

3.1. В пределах глубины разведки скважинами скальных оснований плотин, обычно ограниченной величиной ~ (1ё1,5)Н (где Н - проектируемый напор), необходимо учитывать следующие закономерности:

1) осредняющие кривые q(h) для любых массивов (кроме закарстованных) характеризуются закономерным уменьшением водопроницаемости с глубиной (рис. 12) и, как правило, имеют две точки перегиба: первую, в интервале глубин 5ё50 м (для разных массивов), вторую, в интервале 70 - 150 м. Первую следует отождествлять с границей подзон выветривания и разгрузки «Б - В», вторую - «В - Г». Промежуточная часть графика, где средние значения q = const, либо слабо уменьшается с глубиной, отождествляясь с подзоной «В», служащей, как правило, основанием плотины. Таким образом, в самом упрощенном варианте моделирования подзона «В» может рассматриваться либо как однородный, либо как слабоградиентный по водопроницаемости слой. В подзоне «Г» водопроницаемость зачастую близка к величине 0,01 л/мин, которая обычно рассматривается как условный водоупор. Из опыта рудничной гидрогеологии известно, что в более глубоких горизонтах водопроницаемость может вновь увеличиться, что обусловлено структурными особенностями массива;



Рис. 12. Осредненные связи q = f(h) в скальных массивах - основаниях плотин

а - граниты; б - гранито-гнейсы, диориты, граниты; в - кристаллические сланцы; г - известняки; д - песчаники и аргиллиты

1 - граниты мелкозернистые, массив; 2 - граниты среднезернистые, массив; 3 - контакты жил; 4 - участок III; 5 - главная тектоническая зона; 6 - участок II; 7 - участок IV; 8 - участок I (основание Красноярской ГЭС); 9 - гранито-гнейсы крупноблочные; 10 - гранито-гнейсы среднеблочные; 11 - гранито-гнейсы мелкоблочные; 12 - тектонические зоны VI порядка; 13 - тектонические зоны V порядка (основание Могилев-Подольской ГЭС); 14 - диориты, массив; 15 - граниты; массив (основание Константиновского гидроузла); 16 - ортосланцы, массив; 17 - парасланцы, массив; 18 - тектонические зоны; 19 - зоны сильной трещиноватости; 20 - дайки мощностью менее 5 м; 21 - дайки мощностью более 5 м (основание Саяно-Шушенской ГЭС); 22 - известняки, массив; 23 - подзоны сместителя тектонических нарушений; 24 - подзоны оперения тектонических нарушений (основание Ингури ГЭС); 25 - известняки, массив, пачка 5; 26 - тектонические зоны (основание Чарвакской ГЭС); 27 - известняки, массив; 28 - тектонические зоны (основание Чиркейской ГЭС); 29 - песчаники и аргиллиты, массив; 30 - тектонические зоны (основание Стрыйской плотины).

2) резкое повышение водопроницаемости в зонах тектонических нарушений и в несколько меньшей степени - в зонах жильных тел интрузивных пород по сравнению с частями массива, находящимися вне их влияния. Повышенные значения водопроницаемости на участках жил получаются в том случае, если массив после внедрения жил вновь подвергался разрывным тектоническим нарушениям, причем возникающие (обновляющиеся) трещины проходили по контактам жильных тел, что наблюдается нередко. В зависимости от размеров тектонических нарушений, водопроницаемость их зон на 1 - 5 порядков больше, чем в слаботрещиноватых породах, причем максимальные величины q связаны с подзоной трещин оперения и в меньшей степени с подзоной разлинзования. Подзона сместителя зачастую маловодопроницаема в связи с наличием в ней глинки трения. Наибольшее различие водопроницаемости тектонических нарушений и незатронутых ими частей массива наблюдается в подзонах «Б» и «В», а в пределах подзоны «Г» величины q сближаются; для некоторых массивов сближение величин q отмечается и в подзоне «Б»;

3) возможное существенное различие (приблизительно на один порядок) величин q, слагающих подрусловую часть долины, по сравнению с ее бортами. Эта закономерность связана с кольматажем трещин в бортах и декольматажем тех же пород под руслом реки дренируемым ею потоком грунтовых вод. Поскольку отмеченное различие наблюдается при сравнении величин q ниже уровня подземных вод (в берегах и в русле), т.е. выполненных по единой методике, то его нельзя объяснить особенностями гидравлического опробования. В ряде случаев при сравнении водопроницаемости пород в зоне аэрации (берег) и водонасыщенных (русло) указанные различия могут быть связаны с неполной сопоставимостью данных наливов и нагнетаний. Указанная выше третья закономерность не является устойчивой: справедливая для оснований Красноярской ГЭС (граниты), Саяно-Шушенской ГЭС (парасланцы), она не была выявлена на Курпсайской ГЭС (флишевые отложения) и Папанском водохранилище (известняки) [29].

3.2. В массивах, сложенных массивными интрузивными и метаморфическими породами, могут наблюдаться следующие закономерности, которые необходимо учитывать при анализе данных опытно-фильтрационных работ:

1) при поинтервальном осреднении графиков q(h) или q(hабс) ломаными линиями средних значений  (рис. 13) «пики» с максимальными  в толще крутопадающих слоев парасланцев соответствуют пологозалегающим трещинам отрыва, секущим эти слои; применительно к рис. 13 такие трещины были установлены на глубинах около 35, 55 и 75 м;



Рис. 13. Сопоставление графиков q = f(h) основных типов структурно-петрологических элементов скального основания Саяно-Шушенской ГЭС:

а - первая категория представительности; б - вторая категория представительности

1 - парасланцы; 2 - ортосланцы; 3 - жилы мощностью более 5 м; 4 - жилы мощностью менее 5 м; 5 - контакты жил с вмещающими породами; 6 - зоны сильной трещиноватости; 7 - зоны крутопадающих тектонических нарушений.

2) существенное повышение величин q в гранитах и гранито-гнейсах связано с системой пологозалегающих трещин пластовой отдельности, которые приоткрываются в результате разгрузки естественных напряжений в донной части долины (трещины «донного отпора»), причем особенно это заметно в зонах влияния крутопадающих тектонических нарушений. Иллюстрацией сказанного могут служить характерные изгибы кривых водопроницаемости гранитов основания Красноярской. ГЭС, гранито-гнейсов участка Константиновской плотины и Могилев-Подольской ГЭС (рис. 12);

3) сравнительно малая мощность сильноводопроницаемых пород подзоны «Б» в целом для массива, составляющая 5 - 20 м; увеличение мощности этой подзоны до 35 - 70 м на участках зон тектонических нарушений.

4) в дайках интрузивных пород отмечается сравнительно низкая водопроницаемость маломощных даек и повышенная водопроницаемость контактов даек мощностью более 5 м, характеризующихся «подорванностью» контактов.

3.3. В массивах, сложенных слоистыми толщами осадочных пород, могут наблюдаться следующие закономерности, которые необходимо учитывать при анализе данных опытно-фильтрационных работ:

1) сильно выраженное влияние процесса формирования долины на процессы разгрузки, выветривания, кольматажа трещин и т.д.; вследствие этого, построенные для различных геоморфологических элементов долины, графики q(h) могут сильно различаться. Так, график (рис. 10, в), построенный по данным опытно-фильтрационных работ в скважинах, устья которых находятся в пределах пойменной террасы и низких отметок склона, существенно отличается от графика (рис. 10, а), относящегося к массиву на высоких отметках. Пилообразные графики q(h) отражают изменчивость значений q в зависимости от мощности пластов, характера контактов между пакетами пластов малой и большой мощности. Такое явление характерно не только для карбонатных, но и для толщ обломочных пород;

2) в ритмических толщах обломочных пород отмечается повышенная водопроницаемость пакетов пластов песчаников, алевролитов и аргиллитов примерно равной, но небольшой мощности по сравнению с водопроницаемостью сравнительно однородных и более мощных пакетов песчаников. Это обусловлено тем, что в первом случае пакеты сложены более неоднородными по прочности породами, поэтому при деформациях это приводит к пластическому течению более слабых пород и растяжению и скалыванию более прочных пластов. Чем больше различие в прочности и мощности отдельных пластов или их пакетов, тем резче проявляется в них указанный характер трещинообразования. Сходная картина наблюдается и в толщах ритмически слоистых известняков;

3) массивным рифовым известнякам свойственны открытые крупные формы карстовых полостей, а в карбонатных слоистых породах наблюдается процесс расширения трещин за счет выщелачивания известняков или доломитов, или за счет доломитизации и раздоломичивания, что приводит к трещинному карсту. Следствием этого является неоднородность массива по водопроницаемости и наличие участков с повышенными значениями q даже на глубине свыше 100 - 200 м.

Например, повышенное водопоглощение в слоистой толще известняков основания Ингури ГЭС наблюдается до глубины 150 м, а мощность подзоны «Б» - до 50 м в массиве вне области влияния тектонических нарушений.

В еще более тектонически деформированных известняках основания Чарвакской ГЭС мощность подзоны «Б» достигает 100 м, средние значения q = 0,01ё1,2 л/мин. Вследствие подъема по тектоническим нарушениям глубинных термальных вод, обогащенных кремнеземом и реагирующих с известняками (реакция замещения), образуются кремнеземистые рыхлые или слабосцементированные образования («каранкулиты»), частично замещающие известняки и кольматирующие полости трещин. Установленные в бортовых частях долины карстовые полости и каверны, обусловливающие высокую водопроницаемость, приурочены к определенным уровням террас р. Чирчик (рис. 14, 15).

Влияние гидротермальных процессов, связанных с кремнистыми глубинными водами, на состояние известняков основания Чиркейской ГЭС оказалось иным: здесь они уплотнили породы и залечили многие трещины. Мощность подзоны «Б» для этого основания варьирует oт 0 до 60 м, где значение q = 0,5ё13 л/мин.



Рис. 14. График распределения повышенных значений q (q > 0,4 л/мин) по абсолютным отметкам опытных интервалов (основание Чарвакской ГЭС)



Рис. 15. Сопоставительные графики закарстованности и водопроницаемости известняков в правом борту долины р. Чирчик на участке Чарвакской ГЭС

п - количество карстовых полостей на 10 м скважины; q - удельное водопоглощение, л/мин.

3.4. В скальных массивах любого генезиса зоны повышенной водопроницаемости нередко ассоциируются или перемежаются с приоткрытыми в разной степени полостями трещин или карстовыми полостями, заполненными минеральным материалом, способным к химической или механической суффозии при соответствующих гидравлических условиях. Такие зоны следует рассматривать как пути сосредоточенной фильтрации и возможной суффозии заполнителя. Выявление таких зон - первостепенная задача изысканий и исследований, которую необходимо ставить на самых ранних стадиях проектирования. При ее решении следует учитывать характерные признаки и приуроченность этих зон в ряде случаев к тем или иным структурным элементам массива.

Геоструктурные признаки:

- стыки и пересечения зон тектонических нарушений разных порядков;

- зоны тектонических нарушений разных порядков, ориентированные как согласно с залеганием пород, так и секущие под различными углами;

- основание сложено массивными, жесткими породами;

- основание сложено слоистыми или расслоенными породами с чередованием пластов или пакетов пластов различной прочности;

- основание сложено закарстованными породами;

- мелкие складки волочения и зоны будинажа;

- жильные тела различной мощности и их контакты;

- гидротермальные и гидратогенные жилы, обычно сложенные кальцитом; в процессе разгрузки и выветривания такие жилы нередко выщелачиваются;

- протяженные трещины бортового отпора, отседания и тыловых швов оползней.

Гидрогеологические признаки:

- повышенные и максимальные величины q и Кф, полученные при опытных нагнетаниях воды и воздуха, а также при откачках;

- максимальные значения среднеинтервальных значений q на графиках q(hабс);

- выходы источников и значительный их дебит;

- аномалии в поведении уровней грунтовых или подземных вод в пьезометрах наблюдательной сети;

- аномалии в температуре и химическом составе подземных и грунтовых вод с открытым зеркалом.

Перечисленные выше, а также некоторые особые признаки (например, провалы бурового снаряда, аномальный расход промывочной жидкости при бурении) должны быть учтены при анализе материалов гидрогеологических и геофизических работ, в том числе специально предназначенных для исследования сосредоточенных путей фильтрации (индикаторные методы, метод естественного электрического поля, геофизические исследования между скважинами и др.). Необходимо учитывать, что суффозионная устойчивость заполнителя трещин в основном определяется параметрами фильтрационного потока. Решение вопроса о суффозии заполнителя трещин и тектонических зон возможно лишь на основе специальных полевых и лабораторных исследований (о некоторых из них говорится в Приложениях 1 и 2). Для предварительного суждения о зонах возможной суффозии можно использовать следующие геологические характеристики:

1) Мощность тектонических зон и полостей трещин, содержащих суффозионно-неустойчивый заполнитель: а) мощность зоны измеряется метрами - очень опасно; б) то же - дециметрами - опасно; в) то же - сантиметрами - слабо опасно; г) то же - миллиметрами - практически не опасно. При этом следует учитывать ориентировку зон по отношению к фильтрационному потоку и сооружению, а также число и частоту развития нарушений сплошности.

2) Содержание суффозионно-неустойчивого материала заполнителя полостей тектонических нарушений и трещин: а) большое количество суффозионно-способного материала: вынос частиц может привести к развитию турбулентного режима фильтрации; б) среднее количество; вынос заполнителя увеличивает водопроницаемость на 1 - 2 порядка величины q; в) малое количество; вынос материала может повысить водопроницаемость в несколько раз. Классификация заполнителя по этому признаку производится по гранулометрическому составу образцов пород, взятых в горных выработках или скважинах.

Признаком закольматированности трещин в зонах выветривания и разгрузки скальных пород могут служить низкие значения q » 0,01ё0,1 л/мин на фоне величин q > 1 л/мин. Геологическими наблюдениями рекомендуется также оценивать степень заполнения полости трещин рыхлым материалом и его плотность.

Полевые методы приближенной оценки проявления суффозии [22, 27, 42] сводятся к специальной схеме опытных нагнетаний по нарастающей величине напора, а затем по той же системе убывающего напора. По характеру гистерезисных кривых q(H) судят о наличии суффозии, признаком которой является повышение водопроницаемости на кривой убывающего напора. Такие исследования на Константиновском гидроузле дали следующие результаты: 23 % опытов обнаружили признаки небольшой суффозии. При этом после максимальных напоров до 0,9 МПа значения водопроницаемости увеличились в 2 - 4 раза. Суффозионно-неустойчивые каолины изучаемого основания характеризовались быстрой размокаемостью, большой неоднородностью по гранулометрическому составу (Кн = 15ё300), числом пластичности от 0,05 до 0,17. Необходимо отметить также, что в пределах одного тектонического нарушения наиболее вероятно начало процесса суффозии в подзоне разлинзования нарушения, являющейся переходным элементом между подзонами сместителя и оперяющих разлом трещин.

Лабораторные и специальные методы исследования суффозии заполнителя трещин подробно освещены в литературе [20, 22, 26, 32, 33, 42, 56].

Более подробно вопрос о путях сосредоточенной фильтрации и их особенностях в массивах различного литолого-петрологического состава и при разных структурно-тектонических условиях изложен в Приложении 3.

4. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ

4.1. В соответствии с п. 1.5 исходным материалом для составления модели водопроницаемости должна служить геоструктурная модель в виде серии вертикальных разрезов, погоризонтных срезов, а также специализированных карт и схем. Карта фактического материала позволяет оценить распределение по площади скважин, в которых выполнены опытно-фильтрационные работы. Руководствуясь ею, для построения модели водопроницаемости следует выбрать те геоструктурные разрезы, которые максимально обеспечены фактическими данными фильтрационного опробования. Скважины, расположенные по обе стороны от линии соответствующего разреза, могут быть использованы на этом сечении (путем сноса) лишь при необходимом геоструктурном обосновании идентичности разреза скважины и ее проекции на рассматриваемое сечение.

На выбранные сечения следует нанести уровень подземных вод и стволы скважин с интервальными значениями q, а также характеристики водопроницаемости, определенные геофизическими и другими методами. На разрезе желательно отразить также: аномальную изменчивость минерализации и температуры вод; возможные данные о закольматированности трещин (например, по результатам фото-телевизионного каротажа); степени закарстованности карбонатных пород и другую вспомогательную информацию, косвенно связанную с гидрогеологическими особенностями массива.

4.2. Отбор, систематизацию и статистическую обработку данных опытно-фильтрационных работ, а также построение графиков q(h), q(hабс) следует выполнять, руководствуясь пп. 2.1 - 2.8 настоящей Методики. При этом исходным материалом должны служить таблицы опытно-фильтрационных работ, в которых каждый интервал опробования отнесен к соответствующему СПБ или СПЗ и указана категория представительности (п. 2.4); эта «привязка» каждого интервала опробования к тому или иному структурно-петрологическому элементу (СПЭ) осуществляется на основе всестороннего анализа материалов инженерно-геологических изысканий.

На основе такой обработки делают заключение о:

1) характере и законе распределения (нормальном или логнормальном) значений водопроницаемости для массива в целом и для отдельных его инженерно-геологических элементов (рис. 1), квазиоднородных по литолого-петрологическому составу, строению и состоянию; величинах средних значений (, ) и среднеквадратичных отклонений (, );

2) характере графиков q(h) и q(hабс), построенных раздельно для основных геоморфологических элементов долины (например, для левого берега, дна долины и правого берега) и с учетом:

а) различных структурно-петрологических элементов (СПБ и СПЗ, значения q в которых наносят на график разными значками и обрабатывают раздельно);

б) различных гидродинамических зон в массиве (п. 2.4), для чего на шкале hабс графиков q(hабс) можно показать диапазон отметок уровня подземных вод, зоны сезонного колебания этого уровня и т.д.;

3) характере изменения средних значений  на графиках q(h) или q(hабс); шаг осреднения чаще всего выбирается 5 м или 10 м (если при шаге осреднения 5 м есть интервалы с числом точек менее 5ё7, то лучше использовать шаг 10 м пятиметровым перекрытием: 5 - 15 м, 10 - 20 м, 15 - 25 м и т.д.).

4.3. Анализ данных статистической обработки значений водопроницаемости на геоструктурной основе с целью выявить существенно различные по водопроницаемости структурно-петрологические элементы, а также объединить (укрупнить) те элементы разреза, где различие значений q и sq в соседних элементах разреза незначительное. Для таких укрупненных элементов средние значения водопроницаемости и среднеквадратичные отклонения следует определять на общем материале объединяемых выборок, что снижает ошибку среднего значения и абсолютную величину среднеквадратичного отклонения. Возможны различные способы моделирования по водопроницаемости, в частности, зональный и с использованием изолиний значений q или Кф. Укрупненные СПБ и СПЗ, наделенные значениями qа,г и sq а,г, являются элементами зонального районирования (п. 1.6). Примеры фрагментов таких моделей составлены В.В. Каякиным и А.И. Каякиной [29] на ряде объектов гидростроительства в Средней Азии (рис. 16). Зональный способ районирования является достаточно простым для исполнения. Другое его преимущество - в практическом удобстве непосредственного использования при расчетах и физическом моделировании. Наряду с этим необходимо отметить, что достоверность модели водопроницаемости и контуров выделенных элементов во многом определяется достоверностью геоструктурной модели. Следовательно, если в силу недоразведанности основания, либо неоднозначности в интерпретации, на геоструктурной модели будут пропущены структурные элементы, обусловливающие высокие значения q и Кф, то и модель водопроницаемости будет искажена, либо вместо пути сосредоточенной фильтрации на модели будет укрупненный элемент, характеризующийся малозаметным повышением q и sq.

Другой недостаток зонального способа состоит в замене градиентного характера разреза водопроницаемости (например, в зоне поверхностного выветривания и разгрузки) на квазиоднородный или слоисто-однородный.

Отмеченные недостатки можно в ряде случаев избежать, если помимо зонального способа, в дополнение к нему, использовать способ изолиний. При большом числе фильтрационных опытов в массиве (порядка 500 - 1000 и более), обеспечивающих характеристику водопроницаемости основания в разрезе и в плане для основных генетических элементов, способ изолиний можно рекомендовать как альтернативу зональному.



Рис. 16. Фрагменты моделей водопроницаемости

а - известняков основания Токтогульской ГЭС; б - флишевых отложений основания Курпсайской ГЭС (по В.В. Каякину, А.И. Каякиной [29])

1 - тектонические разрывы; 2 - крупные трещины разгрузки; 3 - уровень подземных вод; 4 - границы квазиоднородных по водопроницаемости участков: средние значения q (л/мин) и Кф (м/сут); 5 - ; Кф = 0,003; 6 - 0,01; 0,01; 7 - 0,04; 0,04; 8 - 0,15; 0,1; 9 - 0,3; 0,2; 10 - 0,02; 0,01; 11 - 0,1; 0,05; 12 - 0,2; 0,15; 13 - 0,6; 0,5; 14 - контур двухрядной цементационной завесы; 15 - контур однорядной цементационной завесы.

4.4. В способе изолиний модель водопроницаемости представляется в виде поля линий равных значений q или Кф. Для проведения изолиний используются все данные опытно-фильтрационных работ, значения водопроницаемости по результатам геофизических исследований, а в промежутках между скважинами можно привлекать средние и модальные величины q, во-первых, снятые с трафиков q(h) и q(hабс) для соответствующего структурного элемента, а во-вторых, полученные на основе корреляционных связей или рассчитанные по параметрам трещиноватости. В способе изолиний можно реализовать следующую последовательность операций (в разделе 6 она иллюстрируется примером основания Ингури ГЭС):

а) проведение изолиний значений q путем формальной интерполяции данных опытно-фильтрационных работ на упрощенной структурной основе (слоистой модели) с границами подзон А, Б, В, Г без учета других особенностей геологического строения основания («формализованный вариант I» - см. рис. 25);

б) проведение изолиний значений q с учетом лишь повышенной водопроницаемости тектонических нарушений («формализованный вариант II» - см. рис. 26), используя в соответствии с геоструктурной моделью контуры этих нарушений;

в) интерпретация, объединяющая «формализованные варианты I и II», и по возможности, с полным учетом особенностей геоструктурной модели (в том числе мелких зон учащенной трещиноватости в контактах ритмов разной мощности и прочности и др.) - вариант III - см. рис. 27; необходимо отметить, что вариант III должен учесть также все имеющиеся геофизические данные о водопроницаемости массива, а основные контуры модели водопроницаемости не должны противоречить контурам геофизической (сейсмогеологической, геоэлектрической) модели скального основания;

г) схематизация и генерализация контуров модели III варианта с целью упрощения и получения модели водопроницаемости для фильтрационных расчетов и физического моделирования (вариант IV - см. рис. 28).

При составлении модели водопроницаемости необязательно последовательное и раздельное выполнение перечисленных операций по составлению вариантов I - III. Инженер-геолог или гидрогеолог, имеющий опыт составления модели водопроницаемости, может, минуя варианты I - II, в ходе построения III варианта в комплексе учесть особенности конфигурации изолиний q, связанные с подзонами выветривания и разгрузки, а также с основными и мелкими тектоническими нарушениями.

4.5. На всех методических этапах построения модели водопроницаемости необходимо учитывать закономерности изменения характеристик q и Кф, изложенные в п.п. 3.1 - 3.4. настоящей Методики. Особое внимание следует уделять выявлению и отражению в модели водопроницаемости путей сосредоточенной фильтрации и возможной суффозии заполнителя. Рекомендуется яркой раскраской (красный, синий цвета) показывать на разрезах и срезах пути сосредоточенной фильтрации и содержание суффозионно-неустойчивого материала в трещинах (см. Приложение 3).

4.6. На начальных стадиях изысканий и исследовании до проведения опытно-фильтрационных работ (или в условиях единичного числа такого опробования) и гидрогеологических исследований методами геофизики для характеристики ожидаемой водопроницаемости основных элементов исходной и предварительной моделей рекомендуется использовать (в комплексе или раздельно);

а) данные «косвенных» геофизических, в частности, сейсмических методов разведки (см. Приложение 2);

б) опыт предшествующих исследований оснований-аналогов, геологическое подобие которого с изучаемым объектом устанавливается по ряду факторов (типа породы и ее минерального состава; геологической истории района и структурно-тектонической обстановки; состояния пород; условий залегания пород, в частности ориентировка элементов структуры относительно долины реки; характера современного рельефа и геоморфологических особенностей);

в) расчетный метод определения водопроницаемости по параметрам трещин, получивший развитие в работах Е.С. Ромма, М.В. Раца, С.Н. Чернышева, Н.Б. Ивановой, К. Льюи, B. Витке и др. В настоящее время для целей инженерной геологии скальных массивов рекомендуется метод М.В. Раца, C.Н. Чернышева и Н.Б. Ивановой с реализацией расчетов на ЭВМ. В связи с тем, что этому методу посвящено специальное руководство [59], в настоящей Методике он не рассматривается. Несмотря на ряд ограничений, проанализированных А.А. Варгой [7], и приближенность расчетных методов, их несомненное достоинство заключается в возможности оценки Кф в любом направлении.

4.7. Дальнейшее совершенствование методики составления инженерно-геологической модели водопроницаемости связано с развитием следующих направлений:

1) геоструктурного и геофизического моделирования;

2) методов и методик гидрогеологических и геофизических исследований;

3) аналитических методов оценки водопроницаемости по параметрам трещиноватости;

4) решения обратных задач фильтрации методами математического и физического моделирования с более широким использованием описанных в Методике моделей водопроницаемости;

5) сопоставительного анализа результатов расчетов и физического моделирования и натурных наблюдений за основаниями сооружений в период строительства и эксплуатации.

5. ОЦЕНКА НЕОДНОРОДНОСТИ И АНИЗОТРОПИИ МАССИВА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ
  1   2   3   4   5


МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВТЕХСТРОЙ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации