Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Гидротехнические сооружения arrow П 54-90 Методика составления моделей водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехническ  
23.01.2018
    
П 54-90 Методика составления моделей водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехническ

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/мин×м×м) - 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 ³ 0,95). В практике инженерно-геологических изысканий скальных оснований допустимо принимать примерное равенство численных значений q (л/мин×м2) и Кф (м/сут). По данным В.М. Насберга, в различных массивах пород основной диапазон изменения отношения qф = 0,64¸1,44.

1.3. Массивы скальных пород характеризуются широким диапазоном изменения водопроницаемости: 10-3¸103 л/мин. Различие величин q до 5 - 6 порядков встречается в пределах одного массива. Например, монопородный (гранитный) массив участка Колымского гидроузла характеризуется значениями q = 0,001¸1270 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 - 20¸30 %, методические - 10¸12 %) [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 = 16,67´10-6 м3/с;

q - удельное водопоглощение, л/мин×м2;

Кф - коэффициент фильтрации, м/с; 1 м/сут = 1,16´10-5 м/с;

Кп - коэффициент проницаемости, м2; 1 дарси = 1,02´10-12 м2;

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

 - коэффициент пересчета, безразмерный;

Ka = q²/q¢ - 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, Па×с; 1 пуаз = 0,1 Па×с;

v - кинематическая вязкость воды, м2/с; 1 стокс = = 1´10-4, 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 = 0,5¸3,0. Обобщающие графики (рис. 3, кривые 1 - 3), составленные по данным больших выборок (сотни значений), дают отношение Кф/q = 1,0¸4,5 в диапазоне q = 0,001¸10 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



Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: