Фильтрационная проницаемость многолетнемерзлых пород

Оловин, Борис Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Фильтрационная проницаемость многолетнемерзлых пород
ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Фильтрационная проницаемость многолетнемерзлых пород"

Академия наук СССР Сибирское отделение Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи

УДК 551.342

оловин

БОРИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МНОГОАЕТНЕМЕРЗАЫХ ПОРОД

04.00.07. - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Якутск 1990

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения СО АН СССР.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук Г.З.Перлыптейн

доктор геолого-минералогических наук, профессор Н.Н.Романовский

доктор геолого-минералогических наук Ю.Л.Шур

Ведущая организация:

Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им.Веденеева (ВНИИГ)

Защита состоится

мая 1990 г. в 9-00 на заседании специализированного совета Д 003.48.01 при Институте мерзлотоведения СО АН СССР по адресу: 677010, Якутск, 10, Институт мерзлотоведения СО АН СССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения СО АН СССР.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю спецсовета. х '

Автореферат разослан

1990 г.

Ученый секретарь спецсовета, к.г.-м.н. .. О.О*^

"С.И.Заболотник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие производительных сил СССР характеризуется интенсивным освоением природных богатств Севера и Северо-Востока страны. Строительство крупных промышленных сооружений и, в частности - гидротехнических, в условиях практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород предъявляет особо высокие требованиям к надежности инженерно-геокриологического обоснования проектов, разработке методов контроля и прогноза изменений инженерно-геологических условий в период строительства и эксплуатации сооружений. От суммарной пористости, размеров и льдонасыщенности поровых каналов, интегральными характеристиками которых являются гидродинамические свойства пористых сред,зависит механическая прочность и противофильтрационная устойчивость мерзлых, промерзающих и протаивающих пород. Термодинамические параметры газовой фазы в поровом пространстве многолетнемерзлых пород являются отражением климатических изменений, геомеханических процессов в массиве, сукцессии растительного покрова, поэтому изучение динамики поровых давлении позволяет уточнить условия промерзания эпигенетических мерзлых толщ и преобразования верхних горизонтов ММП в голоцене. Исследования процессов фильтрации газов в крупнообломочных техногенных отложений,упорных призмах каменно-набросных плотин, представляет значительный практический интерес в связи с возможностью контроля интенсивности вторичного льдообразования в массиве с помощью газодинамических исследований.

Исследования фильтрационной проницаемости вечномерзлых грунтов были предусмотрены программами Государственного Комитета СССР по науке и технике по решению важнейших научно-технических проблем в области энергетического строительства: "Исследование массообменных процессов в крупнообломочных и трещиноватых мерзлых породах в районе сооружений Вилюйско-го гидроузла" (задания 0.55.0В.02.01 СД1а,0.55.08£>2Ш.СД5аЗ) и "Изучение техногенных изменений инженерно-геокриологических условий района р.Вилюй в связи со строительством гидроузлов" (задание 0.55.08.02.01.Н1) и в числе важнейших были включены в программу "Сибирь" (тема 3.7.2.7).

Цель диссертационной работы - разработка дистанционных

методов исследования строения, фильтрационных свойств и льдо-насыщенности вечномерзлых пород, основанных на изучении реакции массива МШ на изменение во времени термодинамических параметров метеорологических полей (давления,температуры и плотности воздуха в приземном слое).

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач: выявить характер взаимосвязи мезду структурно-геометрическими характеристиками и гидродинамическими свойствами зернистых и сцементированных горных пород; разработать методику и технические средства изучения динамики внуг-рипоровых давлений в массиве и расходов газа через поверхность фильтрующего массива при сверхмалых перепадах давления на границах исследуемой области, Др ¿-0,01Рд (Рд - атмосферное давление); на аналоговых электролитических моделях исследовать влияние конструкции пакерируювдх устройств на распределение внутрискважинных давлений; выполнить с помощью ЗВМ моделирование температурных полей в массиве МШ в зоне влияния внешних тепловых источников с целью построения полей потенциалов пародиффузионного влагопереноса; выявить закономерности изменения проницаемости мкоголетнемерзлых пород во временя и пространстве; обобщить и систематизировать результаты исследований водо- и газопроницаемости криогенных сред.

Методика исследований. Основным методом исследований являлся крупномасштабных эксперимент в натурных условиях на грунтовых блоках объемом 10-10^ м3. Исследования проводились пассивным способом, заключавшемся в изучении реакции массива (температуры, внутрипорового давления,удельного расхода газа) на изменение внешних условии (температуры и давления воздуха в приземном слое). Дри анализе полученных результатов широко использовались представления и методы гидромеханики пористых сред, криолигологии, инженерной геологии, гидрогеологии, математической статистики. Обоснование научных положений выполнялось с привлечением методов численного и факторного анализа, аналогового моделирования,результатов лабораторных и натурных наблюдений.

Научная новизна. Автором разработано и теоретически обосновано новое перспективное направление в мерзлотоведении, в основе которого лежит изучение .механического взаимодействия внутрипорового воздуха, содержащегося в мерзлых породах,

о атмосферным в приземном слое.

1. Разработан дистанционный метод изучения процессов вторичного (сублимационного и инфнльтрационного) льдообразования в мерзлых, промерзающих и оттаивающих породах.

2. Обоснована применимость и разработана методика газодинамических исследований вечномерзлых грунтов в естественных и техногенных массивах, основанная на изучении закономерностей распространения колебаний атмосферного'давления в массиве ммп,

3. Установлено наличие мощных, протяженных по площади,высокопроницаемых зон в эпигенетических многолетнемерзлых породах на водоразделах и склонах речных долин. Предложена гипотеза их формирования.

4. Выявлена количественная зависимость интенсивности ин-фильтрационного стока в крупнообломочныв породы от среднегодовой температуры грунта, позволяющая прогнозировать геотермические характеристики и скорость роста льдогрунтового тела в упорных призмах каменно-набросных плотин, насыпях, склоновых коллювиалышх отложениях.

Практическая значимость работы заключается в возможности: существенного уточнения структурно-геологической модели массива с помощью разработанных методов; повышения точности расчетов температурного реяша каменно-набросных плотин с учетом всех определяющих факторов и, в частности - инфнльтрационного льдообразования; осуществления непрямого контроля за интенсивностью вторичного льдообразования в крупнообломочных породах; использования (выявленных с помощью разработанных способов) систем взаимосвязанных пустот в массиве ММП в качестве промежуточных хранилищ загрязненных проглшпленных стоков и засоленных дренажных вод.

Результаты исследования использованы при построении инженерно-геологической модели массива в районе сооружений Внлюй-ского гидроузла, разработке рекомендаций по проектированию, строительству и эксплуатации гидротехнических сооружений Западной Якутии, экономический эффект от внедрения которых составил около 1,5 млн.руб. Перечень актов внедрения прилагается к диссертации.

Личный вклад автора. В основу диссертации положены результаты многолетних экспериментальных исследований, полученные в

1972-1989 гг. лично автором или под его руководством и при непосредственном участии в Западной Якутии на стационарах "Вилхйсказ? ГЭС (техногенный массив), "Мояков-Суола" (водораздельный участок, естественные условия), "Вилюйская ГЭС-3" (долина р.Вилюй в районе створа ВГЭС-3). Кроме того, при подготовке диссертации использовались материалы исследований автора в Северной Якутии (район п.Кулар), Северо-Западной Якутии (район п.Айхал), на севере Иркутской области (п.Кропот-кинский).

Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались на всесоюзных и международных совещаниях, конференциях и семинарах: Гидротехника Крайнего Севе-ра-76, Красноярск, 1976; Гидротехническое строительство в районах вечной мерзлоты, Красноярск, 1978; годичной сессии Научного Совета до криологии Земли, Москва, 1982; То же,1938; Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера, Москва, 1982; Исследование состава, строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород с целью наиболее рационального проектирования и строительства, М., 1981 г.; Аккумуляция зимнего холода в горных породах и его использование в народном хозяйстве, Пермь, 1981; Развитие производительных, сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса, Якутск, 1985 г.; Влияние ГЭС на окружающую среду в условиях Крайнего Севера, Якутск, 1985; Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты, Благовещенск,1986; Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике, М., 1988; Четвертой, Эдмонтон, 1983 и Пятой международной конференции по мерзлотоведению, Тронхейм, 1988.

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа, в том числе - 3 монографии, написанные в соавторстве, 2 статьи, изданные за рубежом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы страниц, иллюстраций - 80, таблиц - 40, список использованной литературы -307 наименований.

Выполнение данной работы оказалось возможным благодаря самоотвержв ¡шоку труду в экстремальных условиях сотрудников Института мерзлотоведения СО АН СССР - А.К.Донченко, Н.А.Пра-восудова, Е.Ю.Калияычевой, Л.А.Оловиной, В.Г.Ивачевой.А.И.Ма-

ланжина, Т.Ф.Сидоровой и организационно-технической помощи . со стороны А.М.Снегирева и Ю.А.Даниловича. Улучшении содержания работы во многом способствовали советы и замечания РЛ/иКаменского, К.Ф.Войтковского, Г.М.Фельдмана, Э.А.Бондарева, Г.Ф.Биянова. Написанием настоящей работы автор обязан П.И.Мельникову, постоянное внимание и поддержка со стороны которого способствовали успешному проведению исследований.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ЙССВДОВАНШ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ В КРИОГЕННЫХ СРВДАХ

Фильтрационная проницаемость горных пород, характеризующая величину гидравлического сопротивления среды движению внутрипоровнх флюидов (жидкости, водяного пра) в по-

ле внешних сил, является эффективной статистиче. :ой характеристикой, зависящей от линейных масштабов области осреднения. Проницаемость горных пород определяется особенностями строения порового пространства и зависит от размеров (микро-, мезо- и макропористости) и формы пор (собственно поры, трещины, каверны). Проницаемость горного массива практически всегда отличается от проницаемости его блоковой части, изучаемой при лабораторных исследованиях, на величину трещинной (или поровой, но более крупномасштабной) проницаемости. В районах глубокого промерзания земной коры строение и фильтрационные свойства пород существенно изменяются в результате миграционного перераспределения влаги, тре-щинообразования и внутриобъемной усадки при охлаждении грунта, цементного и сегрегационного льдообразования, структурной перестройки (диспергирования, агрегирования, криогенной дезинтеграции).

Криогенная толща в целом является водонепроницаемой за исключением отдельных участков выхода подземных вод на поверхность и таликов под крупными водоема'.™. Водонепроницаемость нижней части массива многолетнемерзлых пород обеспечивается довольно мощным слоем льдонасшценных пород,в верхней - сравнительно маломощным ( И = 3-5 м) верхним переходным (включая промежуточный) слоем льдонасшценных пород, влагоперенос через который может осуществляться только диффузионно-пленочным механизмом. На глубинах 10-30 м от по-

верхности кровли ММП порода нередко характеризуются довольно высокой воздушной пористостью (Ф.Г.Бакулин, Л.Н.Крицук, М.С.Иванов, Н.С.Шевелева), благодаря которой последние могут характеризоваться довольно высокой газоцроницаемостью. Судя по результатам исследования мерзлых почв и грунтов нарушенной структуры (А.А.Аяанян, Н.А.Качинский, Л.Н.Степанов) мерзлые породы характеризуются довольно высокой фильтрационной проницаемостью при льдонасыщенности лорового пространства меньшей 0,6-0,8.

В исследовании строения лорового пространства и процессов фильтрации в мерзлых породах можно выделить несколько направлений: гидрогеологическое - изучение взаимосвязи подземных и поверхностных вод в верхних горизонтах земной коры - (Н.М.Козьмин, Л.А.Ячевский, М.И.Сумгия, П.И.Мельников, Н.И.Толстихин, Н.Н.Романовский, С.М.Фотиев, О.Н.Толстихин); агротехническое - изучение водопроницаемости мерзлой почвы (А.А.Шалабанов, Н.А.Качинский, В.Д.Комаров, Н.А.Мосиенко, Л.Н.Степанов и др.); физико-химическое - изучение процессов влагопереноса в мерзлых, промерзающих, протаивающих и талых грунтах ЦгВ.ЛыкоБ, А.ФЛудновсюш, Н.С.Иванов, Г.М.Фельдман, Б.А.Савельев, Э.Д.Ершов, А.А.Ананян, Л.В.Чистотинов), изучение закономерностей криогенного преобразования поровьй растворов и горных пород в зоне пассивного криогенеза (Н.П. Анисимова, С.М.Фотиев); гидромеханическое - разработка теории фильтрации в пористых средах, принципов математического моделирования фильтрационных процессов (Л.С.Лейбензон, Б.Я. Полубаринова-Кочина, Е.М.Минский, В.Н.Николаевский, В.Н.Щел-качев, П.А.Богословский, 5.А,Бовдарев); инженерно-геологическое - изучение строения горных пород в массиве (Е.М.Сергеев, М.В.Р^ Г.К.Бондарик, И.С.Комаров, А.А.Каган.Н.Ф.Кри-вСдОгова); гляциологическое - исследование структуры и закономерностей преобразования порового пространства, фильтрационной и пародиффузионной проницаемости криогенных сред (К.Ф.Войтковский, Б.А.Савельев); криолитологическое - изучение закономерностей пространственного распределения внут-ригрунтовых льдов в горных породах (П.А.Шумский, А.М.Попов, Б.И.Втюрин, А.М.Пчелинцев, Т.Н.Кесткова и др.); механическое - изучение закономерностей преобразования порового пространства в нестационарных температурных полях (С.Е.Гречи-

шов, Н.Н.Романовский, И.А.Тютюнов, Ф.Г.Бакулин, С.Б.Ухов и др.); инженерно-теплофизическое - изучение процессов тепло-п массообмена массивов ММП со средой в области инженерного воздействия (А.В.Павлов, Г.М.Фельдман, Г.В.Порхаев, Ю.Л.Шур, Г.З.Перльштейн, В.Г.Гольдтман); гидротехническое - изучение закономерностей теплообмена, фильтрации и внутригрунтового льдообразования в плотинах и их основаниях (П.А.Богословский, Р. 1.1. Ката некий, Н.А.Мухетдинов, Л.К.Кудояров,Г.Ф.Биянов, Я.А.Крошпс, В.В.Тетельмин, А.В.Февралей, В.А.Жданов,И.С.Клейн, и др.).

Результаты фильтрационных испытаний мерзлых грунтов существенно искажаются вследствие межфазового взаимодействия, в наибольшей мэре проявляющегося при исследованиях водопроницаемости - в процессе проведения опытов изменяется пространственное распределение льда-цемента, увеличивается влаго-емность грунта. В значительно меньшей мере изменяется строение норового пространства мерзлых пород при исследовании их фильтрационных свойств с помощью инертных газов. Газопроницаемость мерзлых грунтов обычно значительно ниже проницаемости талых (А.А.Ананян, Н.С.Старобинец) при равной средней насыщенности порового пространства льдом шш водой. Проницаемость зернистых грунтов существенно уменьшается при промерзании, грунтов со значительным количеством тонкодисперсного ' заполнителя нередко значительно увеличиваете^ за счет трещи-нообразования и внутриобъемной усадки. При моделировании процесса конвекции воздуха в грунтах при условиях охлаждения и увлажнения, близких к существующим в зоне переманного подпора грунтовых вод в каменном дренаже земляных плотин, было установлено, что относительная проницаемость крупнообломочных грунтов монет значительно увеличиваться при малой льдистости (4< 0,2) по сравнению с проницаемостью сухих грунтов.В оттаявших грунтах длительное время сохраняются посткриогенные текстуры, способствующие существенному увеличению средней проницаемости и коэффициента анизотропии проницаемости грунтов (Л.Н.Хрусталев, Г.В.Порхаев). Газодинамические исследования многолетнемерзлых пород (ММП) в массиве в основном носили качественный характер и проводились только в области прерывистого распространения МШ (Г.Н.Философов,Г.В.Лазарен-ков).

В верхних горизонтах ММП и в искусственных насыпных сооружениях процессы преобразования дорового пространства промерзающих и протаивающих пород могут протекать с весьма высокой интенсивностью за счет•различия реологических свойств талых и мерзлых пород, перераспределения механических напряжений в массиве вследствие образования неоднородных по жесткости грунтовых образований, изменения условий фильтрационной консолидации противофильтрационных элементов плотин. Исследования закономерностей развития деформаций грунтов в искусственных сооружениях проводились Л.В.Гольданым, С.Б.Ухо-вым, Я.А.Кроником, Г.Ф.Бияновым, Р.В.Чжаном.

Пористостью и вронипдемостью многолетнемерзлых пород определяется техническая возможность и эффективность использования норового пространства МШ в инженерных целях - для хранения промстоков, высокоминерализованных дренажных вод, инъектирования вяжущих растворов при укреплении оснований сооружений, устройства хранилищ жидких и газообразных продуктов. От фильтрационных свойств грунтов, используемых при строительстве гидротехнических сооружений зависит характер и интенсивность криогенных и посткриогенных процессов в основании и теле плотин, в значительной мере определяющих статическую и противофильтрационную устойчивость гидротехнических сооружений в северной строительно-климатической зоне (ССКЗ).

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕРЗЛЫХ ЮРОДАХ.

Строение эффективного (фильтрующего) порового пространства, как и криогенной толщи (КГ) в целом, определяется геолого-географической обстановкой, в которой формируются мно-голетнемерзлые породы. В пределах КТ, судя по результатам исследований П.И.Мельникова, А.И.Попова, Е.М. Катасонова, О.Н.Толстихнна, С.М.Фотиева, Э.Д.Ершова, Ю.Л.Шура, выделяется несколько горизонтов, аномальных по проницаемости, наличие которых обусловлено действием комплекса факторов планетарного и регионального масштабов. Очень высокой льдистостью

и низкой проницаемостью характеризуются верхний переходный и верхний промежуточный слой вблизи кровли МШ, нижний пе- • реходный слой вблизи подошвы МШ; чередующиеся с переменным шагом по глубине высокольдистые слабопроницаемые и сравнительно высокопроницаемые иссушенные слои в верхних горизонтах ММП. Верхняя часть разреза толщи ММП мощностью в несколько десятков метров нередко характеризуется весьма высокой газопроницаемостью, благодаря чему для изучения ее строения оказывается возможным использовать газодинамические (ГД) методы.

В основу методики ГД - исследований было положено изучение реакции массива на изменение внешних условий с дальнейшим подбором на основе приближенных моделей пористых сред коэффициентов, характеризующих взаимодействие в системе. К числу таких коэффициентов относятся: проницаемость К, пьезопроводность ее , аффективная пористость £, трещиноватой и пористой части массива.

Изучение процессов вторичного льдообразования в крупнообломочных породах включало следующие этапы: организацию и проведение режимных геотермических наблюдений в исследуемом массиве; выявление зависимости между локальными значениями коэффициентов проницаемости от производных температуры массива в исследуемой точке по пространственной (в направлении линии тока) и временной координате; экспериментальное выявление зависимости относительной проницаемости от льдонасы-щенности порового пространства крупнообломочных пород при преимущественно инфильтрационном их увлажнении; построение на основе полученных зависимостей полей коэффициентов проницаемости и льдонасыценности. Полученные результаты контролировались независимыми способами - экспериментальным изучением водного баланса поверхности грунта и определения основной его компоненты - шфильтрационного потока влаги; изучением динамики массовых расходов влажного воздуха через поверхность грунта; изучались криогенное строение и льдис-тость временных насыпных сооружений. Основной объем экспериментальных исследований проводился на плотине Вилюйской ГЭС, характеризующейся весьма динамичным температурным режимом - годовые колебания температуры пород в упорной приз-

ме плотины распространяются на глубину около 70 м. В результате интенсивной конвекции воздуха температурный режим поверхностных горизонтов сухого откоса плотины характеризовался чрезвычайно высокой контрастностью по среднегодовой (или среднелетней) температуре, соответственно величине которой изменялась структура водного баланса поверхности грунта.Упомянутые причины позволяют с достаточно высокой степенью надежности экстраполировать результаты опытов на районы, климатические условия которых существенно отличаются от тех, в которых производились опыты.

Ькспериментальные исследования в естественных условиях проводились на водоразделе в районе оз.Мояков-Суола и правобережном склоне долины р.Вилюй в районе устья р.Малой Еотуо-бии. Газодинамические исследования ММП проводились с использованием стандартных методов - гидропрослушивания, самопро-слушвания, дебито- и барокаротажа, модифицированных с учетом специфики решаемых задач: для измерения давлений использовалось лабораторное микроманометрическое оборудование,расходов - измерительные устройства с чувствительными крыльча-тыми анемометрами, малогабаритные надувные пакерируище устройства. В течение нескольких лет на исследуемых участках проводились систематические геотермические, барокаротажные и расходомерные исследования скважин в радиусе около 10 км от стационара, обследовались обнажения в долине р.Вилюй и прибрежной зоне Вилюйского водохранилища.

Специфика изучавшихся проблем предопределила комплексность подхода к исследовавшимся массивам, процессам и явлениям, широкое применение в работе методов факторного анализа, аналогового моделирования, аналитических методов.

ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ГИДРОДИНАШЧЕСКИШ

СВОЙСТВАМИ И СТРУКТУРНО-ГЕОМЕГРИЧЕСШШ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ГОРШХ ПОРОД

Течение газа в пористой среде в широком диапазоне скоростей фильтрации гГ и градиентов давления V р описывается двучленным уравнением, которое в обозначениях Э.ДЛекалюка имеет вид

Г К, К?

в котором у*-,/ ~ вязкость и плотность газа, К^ и -вязкостная п турбулентная проницаемость среды.

Проницаемость раздельнозернистых мелкодисперсных грунтов пропорциональна квадрату среднего диаметра Ъ частиц и мог.ет быть с достаточно высокой точностью определена с помощью известных полуэмпиричоских формул (М.Э.Аэров, О.М.Тодес, Д.К.Коллеров) по структурно-геометрическим характеристикам 3) , <5. , СГ ( С - коэффициент извилистости). Аналогичным образом можно определить проницаемость трощино-ватых грунтов, принимая в качестве характерного линейного размера среди раскрытость (ширину) трешин. Проницаемость зер-нлетых полидисперсных грунтов может б) определена с помощью упомянутых формул только весьма приблизительно, что обусловлено тем, что мелкозернистые фракции влияют на проницаемость грунта не пропорционально их весовому вкладу, а в значительно большей степени. Для определения эффективного диаметра рекомендуется применять, кроме медианного раз-мора частиц Ю-процентний (В.Г.Гольдтман) или 17-процентный (М.П.Павточ) квантили интегральной кривой распределения. Судя по результатам некоторых опытов с глинистыми грунтами этот квантиль может быть равен 9 и даже 3%.

Проницаемость сцементированных грунтов не является однозначной функцией размера частиц, о чем в частности свидетельствуют опиты Д.Фенчера, Д.Льюиса, К.Бэрнса,которые для каждого из исследованных образцов связных грунтов получили индивидуальную зависимость безразмерного сопротивления от числа Рейнольдса - (в качестве линейного масштаба

¿. среды, входящего в ^ и , использовался средне-взвешеннш диаметр частиц грунта). Во многих работах по подземной гидравлике полагается, что является функцией проницаемости и пористости - при подобном подходе удается найти обобщенную зависимость для любых разно-

видностей грунтов Ш.Д.Миллионщиков, В.Н.Щелкачев, Ф.И. Ко-тяхов). По-видимому, в сцементированных грунтах прей сходит качественное изменение строения порового пространства,

в результате которого средний диаметр поровых каналов, геометрическими характеристиками которых собственно и определяется проницаемость, в большей мере зависит от генезиса грунта (особенностей протекания в нем процессов седиментации, диагенеза, катагенеза и др.), чем от геометрических размеров частиц минерального скелета.

Наиболее простое выражение зависимости У' = полу-

чается преобразованием уравнения (I) и приведением его к виду У =Я/Йе + 5 , использующемся в некоторых работах (ЗХСоъле , Ъ.Ка±Ъ ). в котором В =5=1, линейный масштаб для безразмерной скорости фильтрации ил - К^/К^ для безразмерного сопротивления = К/> . Число Йе

/у* Кр равно отношению сил инерциального (второе слагаемое правой части уравнения) к силам вязкостного сопротивления (первое слагаемое) и позволяет определить величину критической скорости фильтрации по заданному критическому значению числа йе.* (в работе положено, что йе.* = -0,1), определить величину эффективного коэффициента фильтрации к <р при любой скорости, К9 = с • +■ Яе) , где с-с.опз'б • Зная значение коэффициентов К^, . К^ , можно на основе соотношений теории гидравлического радиуса приближенно оценить величины эффективной пористости &я и удельной поверхности поровых каналов сй9 .

Статистическая обработка опубликованных результатов экспериментальных исследований проницаемости немерзлых грунтов (Д.К.Коллеров, С.Б.Избаш, Э.Д.Чекалюк и др.) свидетельствует о том, что турбулентная проницаемость грунтов различных разновидностей, вязкостная проницаемость которых изменяется от Ю-1 до м2' , увеличивается прямо пропорционально К^ в степени, близкой к единице и с точностью около одного порядка может быть предсказана с помощью приближенной эмпирической зависимости = Ю4,7- (рис.1). Корреляция между Кр и улучшается в пределах отдельных узких классов пород: связных (сцементированных) и раздельно зернистых, хотя в этом случае показатель степени в правой части оказывается заметно большим единицы ( п = 1,34-1,60), а зависимости в логарифмических координатах имеют вид

параллельных прямых, в связи с чем отношение

к,/к;

может

служить оценкой степени гидравлической связности (сцементи-рованности) грунтов. В частности, отношение - К/>/Кдля связных и сыпучих грунтов различается на 3 порядка: р = Ю11 - в первом случае и приблизительно Ю8 - во втором. Мерзлые зернистые грунты, несмотря на наличие в них ледяного цемента, по своим гидравлическим свойствам оказываются значительно ближе к сыпучим грунтам, чем к сцементированным, так как для них по экспериментальным данным^ =10®'

10 Л

10-5А

юЛ

X +

• - 1

♦ - 2

+ - 3

х - 4

Д - 5

о - б

,-15

ю'5 к

'Г

10 10'" Рис.1. Зависимость между турбулентной Кр (м) и вязкостной Ку, (м2) проницаемостью немерзлых сцементированных (1,2) и раздельно зернистых (3-6) грунтов.

При обобщении результатов экспериментальных исследований влияния концентрации инертного заполнителя (насыщенности »Э поровохчэ пространства водой, льдом, глинистой суспензией и др.) на относительную фазовую проницаемость , взаимосвязь между последними аппроксимируется степенной (Д.М.Минц, Н.В.Орнатский, Е.М.Сергеев, Ю.М.Шейхтман), пока-

зательной (С.Ф.Аверьянов, Я.С.Лейбензон) или экспоненциальной (В.Д.Комаров, Н.А.Мухетдинов) функциями. Наиболее удобным и вдобавок имеющим под собой теоретическую основу (В.Н. Николаевский) является представление зависимости Д (3) в виде Ь $о)1" (где £„,,£«, - открытая и суммарная пористость грунтов). Величина показателя степени т варьирует в весьма широких пределах - от 1,186 (в формуле Мацкрле, Д.М.Минц) до 10-20. В результате выполненных автором опытов установлено, что величина показателя гп для различных образцов изменяется в пределах от 2,15 до 8,24, составляя в среднем 3,36,т.е.:

^ = К^/К^ (2)

Турбулентная проницаемость грунтов уменьшается значительно быстрее по мере роста льдистости:

к^/к,. «('-^Г" (3)

Кривые практически симметричны относительно

координатных осей (рис.2а), в то время как кривые существенно асимметричны - практически во всех случаях уже при 5а =0,5 турбулентная проницаемость уменьшается на 23 порядка. Относительная турбулентная проницаемость в большинстве опытов уменьшалась быстрее, чем вязкостная, и величина ее при соответствующих обычно была в 2-5 раз меньше ^ ^ . Это свидетельствует о том, что фильтрационные свойства мерзлых грунтов по мере увеличения их льдистости в основном определяются сопротивлением вязкого трения при малом влиянии инерциальных эффектов. При малой льдистости грунтов 0,2) нередко наблюдалось заметное увеличение

проницаемости мерзлых пород за счет уменьшения турбулентного сопротивления, а в некоторых опытах - и вязкостного,причиной чего, по-видимому, является снижение шероховатости стенок поровых каналов.

Между коэффициентами К^, и мерзлых грунтов существует довольно тесная корреляционная связь, в частности -результаты опытов с образцами № 16-27 аппроксимируются уравнением

Н^км/Про

Кру/Кро

0,2 О,А 0,6

Рис.2. Зависимость относительной вязкостной (К^/К^в ) и турбуле*гной пронищемости мерзлых жрупнообломочных 1'рунтов от льдонасыщенности норового пространства (11-27 - номера образцов}.

к, - К, (4)

при коэффициенте корреляции 0,937. С помощью факторного анализа результатов опытов установлено, что дополнительный учет воздушной пористости грунта не способствует повышению точности прогноза Кр , причиной чего, по-видимому, является существенное различие между аффективной пористостью грунта £9 и воздушной &9.

Среднее значение ¡£в во всех проведенных опытах составило 0,445, причем величина <£, / при условиях, в которых проводилась подготовка образцов, практически не зависела от льдонасыщенности и среднего диаметра частиц грунта. Столь низкая величина <5в объясняется неравномерностью распределения внутригрунтового льда в объеме образца и образованием в нем зон, слабо связанных мевду собой гидравлически. Подтверждением этому является монотонное уменьшение удельной внутренней поверхности поровых каналов сО, по мере увеличения влажности грунта по сравнению с удельной поверхностью каналов сО„ в сухом грунте, хотя суммарная удельная поверхность мерзлого грунта обычно несколько выше сОв .

Из анализа полученных экспериментальных результатов следует, что критический режим течения газа в мерзлых крупнообломочных грунтах, при котором становится заметным влияние инерциальных эффектов, наступает при приблизительно одной и той же средней скорости течения газа, определяющейся свойствами флюида, проницаемостью и пористостью минерального скелета и практически не зависит от влажности грунта, критическая же скорость фильтрации уменьшается в зависимости от относительной воздушной пористости / или, что то же самое (I - ), в степени, близкой к единице.

ГЛАВА 4. ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ЭФФЕКТИВНАЯ ПОРИСТОСТЬ ШОГОЛЕГНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД

Экспериментальные исследования проницаемости многолетне-мерзлых пород проводились на нескольких ключевых участках, расположенных на водораздельной поверхности на различном (от 2 до 30 км) расстоянии от берега р.Вилюй и правобережном скло-

не долины р.Вилюй. Геологическое строение исследованных массивов достаточно типично для всей Сибирской платформы.

В основании изученного разреза залегает мощная толща морских осадочных отложений - верхнеленская свита верхнего кембрия, представленная системой переслаивающихся мергелей, доломитов и известняков, количественное соотношение между которыми приблизительно соответствует 90:6:4. Выше по разрезу залегают сходные по составу и физическим свойствам отложения илгинской свиты мощностью около 60-70 м,представленные переслаивающимися в соотношении 50:40:6:4 мергелями, доломитами, известняками и алевролитами. Залегание кембрийских отложений субгоризонталъное, породы засолены, загипсованы,криогенная текстура трещинно-пластовая и трещинно-жильная, средняя льдистость пород около 5%. Отложения усть-кутской свиты ордовикской системы представлены сильнотрещиноватыми, субгоризонтально залегающими алевролитами, переслаивающимися с песчаниками, аргиллитами, известняками, мергелями.Мощность этого слоя, местами выклинивающегося, составляет чаще всего 10-20 м, льдистость пород 1-5%. Отложения пермо-карбона представлены песками мелкой и средней крупности, песчаниками и алевритами, местами с включениями гальки осадочных и кремнистых пород. Криогенная текстура отложений (Р+С) преимущественно массивная с включениями шлиров и линз сегрегационного льда и с переменной по высоте влажностью, изменяющейся от 1012% вблизи подошвы трашювого тела (кровли Р+С) до 16-20$ в нижней части слоя.

Пластовая интрузия долеритов ( ) имеет в плане ве-

сьма сложную конфигурацию и непостоянна по мощности, изменяющейся чаще всего в интервале 30-80 м. Вблизи общего базиса денудации (берега р.Вилюй) трапповый массив разделен системой крупномасштабных трещин на отдельные блоки, размеры которых в плане составляют около 50-100 м. Трещины скола на контактах между блоками распространяются на значительную глубину в подстилающие породы. К системе продольных (относительно речной долины) трещин приурочены криволинейные, с наклоном в нижней части в сторону реки, поверхности скольжения, по которым породные блоки смещаются вниз по склону. Смещение долеритовых блоков по склону происходит совместно с подсти-

лающими их палеозойскими отложениями, поэтому слоистость последних в зоне деформаций существенно отклоняется от горизонтальной и имеет наклон в сторону,.противоположную направлению к берегу реки. Зона боковых подвижек наблюдается на обоих берегах реки на расстоянии до I км, а, возможно, и более. В районе зеркал, скольжения наблюдается повышенная тре-щиноватость и льдистость пород.

" В районе широко распространены средне- и позднетриасовые коры выветривания, сохранившиеся в западинах рельефа траппо-вого плато (И.С.Рожков, Н.Н.Зинчук). В площадных ворах выветривания, мощность которых обычно не превышает 15 м, выделяется слой дезинтегрированных и выщелочных долеритов мощностью 6-8 м и структурных охристо-монтмориллонитовых глин с сохранившейся структурой материнских пород. В процессе выветривания уменьшается объемный вес долеритов за счет существенного увеличения пористости (с 0,02 до 0,4), удаляются окислы натрия, кальция, магния и происходит окисление закис-ного железа. Выходы локальных кор выветривания преимущественно линейной ориентации, расположенные по нормали или под острым углом к линии простирания берегового склона, наблюдаются в прибрежной зоне Вилюйского водохранилища. Выветрелые породы залегают в виде отдельных гнезд в массиве нормальных долеритов и по внешнему виду практически не отличаются мезду собой, эти разности неводостойки, в смоченном состоянии легко разрушаются руками. Мощность высокольдистого переходного слоя (ПС) в выветрелых долеритах, судя по наблюдениям в районе устья руч.Эрбейэк, весьма незначительна и составляет около 0,2-0,4 м, причем слой этот расположен, в основном, в ' делювйально-солифлюкцконных склоновых суглинистых отложениях. Довольно незначительные изменения внешних условий сопровождаются быстрым развитием термокарста на участках распространения локальных кор выветривания. Исследуемый район относится к области денудации, значительная часть останцов выветрелых долеритов снесена в бассейны стока, в особенности высокой интенсивностью снос отличался вблизи основного базиса денудации. В связи с этим удельный вес мощных толщ выветрелых долеритов вблизи берегов р.Вилюй весьма незначигелем и, судя по распространенности долеритового карста на берегах Вилюй-

ского водохранилища, составляет дола процентов от сухарной протяженности береговой линии. Значительную роль в механическом и физико-химлческом преобразовании горных пород играют процессы криогенеза, проявление которых в скальных породах обнаруживается на довольно значительных глубинах (И.А.Тютюнов, Е.М.Катасонов).исчисляемых десятками мэтров от поверхности.

Рыхлые отложения на склснах и в долине р.Вилюй представлены русловым и пойменным аллювием, коллювиально-солпфлнзнцл-оннымн, аллювиальные первой надпойменной террасы (I НПГ), делввиально-солифлюкционными, делювиально-коллювлальными и коллювиальными склоновыми, делювиальными, гравитационными (оползневыми) и элювиальными, сформировавшимися преимущественно в голоцене и верхнем плейстоцене. Большая часть разреза чехла рыхлых пород в долине реки представлена: нерасчле-ненным элювием коренных пород, мощность слоя которого составляет около 20-30 м, залегающем в русловой части долины, в основании слоя отложений 1КПТ л частично курумного склона; аллювием 1НПГ мощностью до 20 м; делювиально-коллювлаль-ными и коллювиальныдя отложенпями мощностью до 10 м.Ддя оползневых образований характерно наличие крупных блоков слоистых мергелей, известняков, делегатов, алевролитов и аргиллитов с щебенисто-суглинпстым и песчаным заполнителем, трещинами, заполненными частично или полностью инфильтрацконным и сублимационным льдом. В верхней части разреза отложений I НПТ, содержащих значительное количество мелких или пылева-тых песков, встречаются повторно-жильные льды мощностью до 6-8 м.

Экспериментальные исследования проницаемости базировались на прямых наблюдениях за динамикой расходов и внутри-скважинных давлений воздуха в расходомерных и пьезометрических скважинах, перекрытых ушготнительными устройствами в районе устья или на каких-либо иных горизонтах. На стационаре "Ыояков-Суола" были выполнены опыты: по дебитограммет-рш - изучению зависимости расходов воздуха через устья скважин от атмосферного давления и температуры воздуха в приземном слое, барограмметрии - изучению зависимости внутрисква-жинных давлений от атмосферного давления; гидропрослушива-

нюо - изучению динамики дебита (2 (Т ) и давления (t ) в возбуждающей и давления (t ) в изометрических скважинах; самопрослушиванию - изучению (f) в массиве .изолированном в определенный момент времени от прямого контакта, через устья скважин, с атмосферой; дебито- и барокарота-жу - изучению вертикального распределения притоков воздуха или избыточных давлений на различных горизонтах скважин, перекрытых с помощью одно- и двухпакерных установок.(рис.3).

При обработке результатов расходомерных наблюдений было установлено, что мевду расходами воздуха через устья скважин и величиной атмосферного давления существует тесная корреляционная связь - коэффициент линейной корреляции между Q и РА чаще всего близок к 0,98-0,99. Несмотря на довольно высокую частоту колебания атмосферного давления (период Тгв4 = 9,8 ¿3 суток, амплитуда Яр = 8,1+1,9 гПа), процесс фильтрации воздуха через скважины близок к квазистационарному, коэффициенты продуктивности £ зависимости а = £ ( Ía ~ Fóo ) являются довольно стабильной характеристикой разреза, незначительно изменяющейся со временем. Область изменения g для обследованных скважин 0,7-4,8 м3/ч-гПа. Эффективное давление воздуха Р^ в поровом пространстве массива периодически изменяется со временем с амплитудой около 2 гПа и среднем значении f^, = 970 гПа. Колебания давлений в пьезометрических скважинах, расположенных на расстоянии 100, 300, 500 м, носят синусоидальный характер и затухают по мере удаления от возбуждающей скважины, радиальное распределение осредненных за временной интервал порядка внутрискважин-ных давлений близко к стационарному. Установленные закономерности фильтрации позволили рекомендовать для расчета проницаемости массива формулу

К = 5,61-ПГ9 Ч / h , ' (5) где h - мощность газопроницаемого слоя.

Коэффициент цродуктивности скважины £ г ЭQ /В /jj может быть определен на основании краткосрочных расходомерных исследований, h - на основе геологических описаний разреза или с помощью барокаротажных исследовании.

В исследуемом массиве оказалось возможным определить с помощью барокаротажных исследований только фиктивные значе-

Oc'd}

Рис.3. Изменение давления р , (rila) в возбуждающей скважине Л 311 ( РА ), пьзометрических (Л 308, 310, 312) и расхода Qt (м3) через скважину Jé 311.

нгя коэффициентов проницаемости ( г ) , которые позволяют судить лезь о характера изменения проницаемости пород с глубиной.

Барокаротажные исследования скважин заключались в изучении вертикального распределения избыточных, по сравнению с атмосферным, давлений на отдельных, изолированных с помощью надувных тампонов (пакеров) участках скважин. С этой целью в исследуемую скважину опускалась связка, состоящая чаде всего пз двух пакеров, нагнетательных и пьезометрических шлангов, несущего троса, осуществлялась накачка пакеров и измерение избыточного давления в кэапахерном пространства р. . После окончания-измерений снижалось давление в пакерах и производилась перестановка опускного снаряда на следующую отметку. В начале и после окончания опытов производились измерения избыточных внутрискважанных давлений, на основании которых определялось среднее значение д р , а таксе, по ранее описанной методике, среднее по разрезу значение проницаемости К . Расчет фиктивной проницаемости производился по интерполяционной формуле К^¿^Ъ'^ь' Коэффициент К/, , учитывающей изменение избыточных давле-

ТТТ»7Г Г\ АтТ ГТУм'г т"> ТГГ>ЛГПГ\ЛГТГТЛТ1 ЛЛЛ ТТЛ /^Т »ТТ ЛТГПГ1 У'о» ТТЛ ГТ ЛП1 ТРП гтт т»# ГП»_

1ши О \jju-II\J4. ¿5 НоV ¿¿У^/ХЛАЧ^.** ири^цо у ииаМ Ои^дДимии ишиишь —

тем на пространственной аналоговой модели ЭГДА. При расчете вносились поправки на разновысотность точек измерений, неизотермзчность процессов в пьзометрическпх трубках (температура воздуха в скважинах и на поверхности грунта -в барабане лебедки, существенно различались), нестационарность процесса фильтрации, обусловленную перестановкой пакеров.

Результаты барокаротажных исследовании свидетельствуют о том, что весьма высокой проницаемостью характеризуются траппы, несколько меньшей - пермокарбоновые отложения.

В процессе проведения опытов по саыопрослушиванию установлено, что характер.изменения внутрискважинных давлений носит довольно сложный характер. В течение первых 12 часов после перекрытия инициирующей скважины давление уменьшается в ней прямо пропорционально Т" . Такой харак-

тер кривой восстановления давления б'£л V) типи-

чен для остановленных скважин, эксплуатировавшихся ранее с

постоянным дебитом. В дальнейшим, при t > 12 час,происходит внполаживанио кривой (т) - уменьшение коэффициента В ; в период Т = 48-312 час происходит полное выравнивание давления в массиве на расстоянии более 300 м от возбуждающей скважины. В дальнейшем во всех скважинах наблюдаются синхронные гармонические колебания давления с периодом около 80 суток и амплитудой около I Па, являющиеся откликом на первую гармонику РА С*) , характеризующую изменение осредненных по десятисуточным интервалшл сглаженных значений Q ( = 80 суток, fip = 7 гПа). Полученные результаты позволяют представить следующий характер распространения возмущений давления в массиве.

Трещиноватая часть \/т массива, приуроченная в основном к силлу долеритов, является очень хорошим проводником возмущений атмосферного давления, в которой гасятся только высокочастотные, с периодом 2-3 часа и менее, гармоники колебаний , колебания же рл с периодом распространяются на рассто-

яние 500 и, возможно, более мэтров; эти колебания, так же, как п более низкочастотные, распространяются вертикально вниз в относительно слабопроницаемые, но характеризующиеся достаточно высокой эффективной пористостью породы. Таким образом, исследованный массив представляет из себя систему с двойной пористостью, включающей в себя высокопроницаемую, Кт = 10""^ Ю-12 м2, трещиноватую часть и слабопроницаемую, «п = I0-"''®-Ю"15 i?, пористую часть. В последней значительную часть фильтрующего объема составляют микро- и макротрещины. Выполненные иссслодования свидетельствуют, что при исследованиях весьма сложных по строению и свойствам массивов, изолированных от прямого контакта с атмосферой мощным слоем газонепроницаемых высокольдистых пород переходного криогенного слоя и возбуждаемых полигармоническими импульсами через одиночную инициирующую скважину, возможно использование весьма простых аналитических зависимостей - стационарных решений уравнения осе-симмотричной фильтрации в плоском изолированном слое для трещиноватой части массива и довольно простых решений задачи о распространении плоской волны, создаваемой низкочастотными гармониками возбуздающего импульса. Это оказывается возможныйi вследствие поглощения высокочастотных составляющих непосредственно вблизи стенок инициирующей скважины.

Суммарный эффективный объем норового пространства изучавшегося массива, оценка величины которого была выполнена по методу М.Ыаскета, составляет более 4 шш.м при средней эффективной пористости верхнего слоя ЫМП мощностью 60-80 м и равной 2%. Бели предположить, что соотношение между эффективной пористостью и. "мертвым" объемом пор, не участвующих в фильтрации, приблизительно соответствует полученной при лабораторных исследованиях, то суммарную воздушную пористость высо-сокоЛрошщаемого (ВП) слоя ШП можно оценить величиной порядка 4-5%.

Кровлей ВП-слоя является газонепроницаемый верхний переходный и промежуточный слои, расположенные в основании слоя сезонного протаивания. Подошва ВП-слоя ориентирована преимущественно параллельно земной поверхности, положение ее практически не зависит от диалогического состава пород - она проходит как внутри пес'чано-алевритового слоя, так и по контакту С' мергелями, а в некоторых случаях и вблизи подошвы трашового тела. ВП-слой существует не повсеместно, в частности, он отсутствует в зоне теплового влияния подозерного талика. Граница ВП-слоя приблизительно располагается между изотермами —0,5 —1,0°С. Низкая фильтрационная цроницаемость ММЦ вблизи дна 'озера, обусловленная повышенной льдистостью песчано-алевритовых пород, объясняется субаквальным промерзанием влагонасыщенных донных отложений и пленочной диффузией влаги в направлении ВП-массива, обусловленной разностью потенциалов . почвенной влаги (рис.4).

Распределение открытой пористости и газопроницаемости пород по вертикали существенно различается по площади. Чаще всего максимум проницаемости пород находится на глубинах 20-40 м от поверхности и приурочен к нижней части траппового тела (скв.ЗП, 312, 322, 324). Иногда наблюдаются два максимума: один - в верхней части траппового тела на глубине 10-20 м от поверхности; второй - в средней части слоя алевролитов на глубинах 40-60 м (скв.308, 324) или верхней части этого слоя (скв.314).

Наиболее широко распространенной гипотезой образования пустот в толще МШ является предположение о том, что образование малольдистых МШ обусловлено хорошими условиями дренажа мас-

сива в период его промерзания, т.е. предположительный возраст пустот с заключенным в них воздухом равен возрасту ЫМП, оцениваемому величиной порядка 1*10^ лет. Суммарный объем пустот изменяется со временем за счет перемещения блоков скальных пород по направлению к базисам денудации, сублимационного льдообразования за счет пленочно-паровой диффузии воды через толщу ММП, инфильтрации води через глубокие трещины - криогенные ,* температурные, бортовой разгрузки и др.

ЕЗ» [Щ* э ЕЁЗ« ЕЕЗ* ЕЗ* Е? га*

Рис.4. Высокопроницаемая (ВП) область в ыноголетнэмерз-лых грунтах на водоразделе р.Вилюй: I - долериты; 2 - песчаники; 3 - мергели; 4 - изотермы, °С; 5 - ВД-область; 6- граница ММП; 7 - скважины; 8 - мелководное озеро.

Количественная оценка упомянутых процессов представляет значительные трудности. Приближенную оценку интенсивности паро-даффузионного переноса в направлении потока внутризеыного тепла можно сделать в предположении равенства массовых потоков: пародиффузнойного в ВП-зону и компенсирупцего эти вла-гопотери - диффузионно-пленочного из нижележащих горизонтов ММП. Величина этого потока в описанных условиях составляет около 2'Ю м/год, из чего следует, что полное насыщение льдом грунтового столба высотой около 100 м произойдет за время, значительное превышающее вероятный возраст толщи М№. О малой вероятности проникновения инфильтрационных вод в массив свидетельствует сам факт длительного сохранения высокопроницаемых неводонасыценннх грунтов. При • отсутствии или незначительности дополнительного притока влаги в ВП-иассив в результате пародиффузионного влагопереноса, образования сублимационного лада и последующего преобразования его строения суммарный объем пустот на изменяется, но может сущест-

венно измениться объем эффективного норового пространства за счет увеличения "мертвого" объема - изолированных газовых включений в льдогрунтовой массе. При неизменной температуре Е7Д изменения объема "газового тела" проявляются в двух взаимосвязанных параметрах состояния - плотности или давления р . Последний параметр может быть измерен с весьма высокой точностью - чувствительность дифференциальных микроманометров достигает 0,1 Па. Такое изменение порового давления будет наблюдаться при смещении блоков скайьных пород на очень малую величину (б-Ю-® м/год), которая не может быть зафиксирована никакими другими приборными методами, основанными на прямых измерениях деформаций. Недостатком описанного метода измерения объемных деформаций скелета является очень сильная зависимость внутршорового давления от температуры порового воздуха - при изменении на 0,01°с давление газа изменяется на 3,7 Па.

Выполненные исследования позволяют предположить, что по-ровое пространство ВП-зоны представляет из себя закрытую термодинамическую систему, хранящую память о предшествующих климатических и ландшафтных условиях, геологических явлениях, криогенных и посткриогенных процессах в массиве ШП. Давление в БД-зоне изменяется в течение года пропорционально величине теплового импульса (положительного летом и отрицательного зимой) и эффективной пористости пород в пределах слоя годовых колебаний температуры и соотношения 6-в гк и эффективной пористости б,д пород на всю мощность ВП-зоны. Вероятность нарушения степени открытости системы наиболее велика в периоды существенных потеплений климата или крупномасштабных изменений ландшафтных условий. В периоды подобных нарушений происходит в какой-то мере стирание памяти о предшествующем состоянии, в связи с чем ВП-зона является информационной системой с затухающей памятью.

Ряд фактов, установленных в процессе исследований массива - тенденция к уменыпешю со временем эффективного давления , преимущественное направление воздушных потоков в массив по сравнению с обратным, снижение скважинных давлений в опытах по сашпрослушванию, - позволяют предположить,что среднее поровое давление в ВП-массиве значительно ниже(не ме-

нее, чем на 100-300 Па) среднего атмосферного в современных условиях. Возможными причинами наличия подобной разницы являются: современное похолодание климата по сравнению с предыдущими периодами (например, с голоценовым термическим максимумом), экзогенные процессы, химические и физико-химические процессы межфазового взаимодействия, приводящие к изменению состава газов.

Наличие сравнительно высокопроницаемых шоголетнемерзлых пород было выявлено при газометрических исследованиях верхнечетвертичных склоновых делювиально-коллювиальных и оползневых отложений на правом берегу р.Вилюй. Высокопроницаемые породы выявлены в полосе шириной около 50 м,вытянутой в направлении простирания склона, и, в основном, приурочены к основанию курумного склона. Мощность ВП-зоны непостоянна и увеличивается вверх по течению р.Вилюй - от 20 м в районе скв.401 до 50 м в районе скв.404, 405. Средняя проницаемость пород на склонах значительно ниже, чем на водоразделе,вследствие чего для измерения ее оказалась недостаточной чувствительность расходомерных устройств и выявление ВП-зоны осуществлялось только на основании барограмметрических и ба-рокаротажных исследований. Абсолютные давления воздуха в изолированных скважинах изменялись со временем со сдвигом по фазе относительно РА , нестабильностью отличались и давления в скважинах, перекрывавшихся на различных горизонтах.Скорее всего такой характер реакции массива на возбуждение обусловлен незначительной мощностью и прерывистостью в плане верхнего переходного слоя. С другой стороны, многолетними термометрическими наблюдениями не установлено существенных аномалий температурных полей в слое годовых колебаний Нг„ , мощность которого изменяется в пределах 11-16 м,глубина проникновения нулевой изотермы <£, в течение года составляет 0,6-2,0 м, эффективные коэффициенты температуропроводности а. верхнего слоя мощностью 10-12 м составляют (2-ЗКо~Зм2/ч. Подобные величины типичны для мерзлых пород различного литологического состава, теплопередача в которых осуществг-т-ется механизмом молекулярной (кондуктивной) теплопроводности.

В районах распространения курумов встречаются аномально низкотемпературные зоны, обусловленные конвективным охлажде-

нием коллювиальных отложений. Охлаждающее влияние курумов носит локальный характер и в наибольшей мере проявляется в пределах суффозионных субфаций курумных террас и составляет около 1,5-2,5°С. Влияние конвективного внутригрунтового охлаждения на температурный режим склоновых отложений довольно незначительно, о чем свидетельствует слабая зависимость температуры ММП от гранулометрического состава покровных отложений - температуры пород в районе тыловых швов высокой поймы и первой надпойменной террасы практически одинаковы несмотря на то, что в первом случае, в отличие от второго, ку-румные отложения полностью заилены и по своим фильтрационным свойствам практически не отличаются от мелкозернистых пород. На температурный режим в большей мере влияет расчлененность рельефа, чем состав межпорового заполнителя.

В некоторых скважинах, пробуренных на приводораздельной поверхности, наблюдалось интенсивное движение воздуха, скорость которого изменялась в зависимости от величины атмосферного давления. Особеннй значительные искажения вертикального распределения температур, распространявшиеся на глубину до 10 м от устья, наблюдались в период прохождения антициклонов в скв.1550. Это свидетельствует о том, что фильтрационные свойства траппов приблизительно идентичны как вблизи берегового склона (скв.1550), так и на значительном удалении от него.

Выявленная при барометрических исследованиях зона сравнительно высокопроницаемых рыхлых отложений в основании ку-румной террасы не оказывает заметного влияния на температурный режим пород, в силу низкой проницаемости > (К»10~

м2) газодинамические исследования этой зоны возможны только при искусственном нагнетании в массив воздуха при повышенных давлениях в иницирующей скважине. Исследование этой зоны представляет значительный практический интерес в связи с высокой вероятностью быстрого развития в ней фильтрационных таликов после завершения строительства водопод-порных сооружении в русловой части.

Распространенные на приводораздельных поверхностях ВП-толщи характеризуются хорошей гидравлической связностью в плане (в радиусе порядка I км, а, возможно, и более) и по

вертикали (до 60-80 м), не имеют четких литологических границ вблизи подошвы ВП-слоя.

В состав ВП-толщи входят как трещиноватые долериты, так и подстилающие их мелко- и среднезернистые пески и песчаники, не отличающиеся высокой газопроницаемостью на значительном . удалении от силлов. Исходя из этой особенности распространения Ш-толщ, можно предположить, что их образование каким-то образом связано с наличием трапповых интрузий на поверхности. Наиболее вероятным нам представляется следупций механизм развития ВП-толщ в подстилающих породах:

- до начала промерзания породы, подстилающие траппы, были полностью обводнены в отличие от практически обезвоженных, выступающих над поверхностью почвы, трапповых тел;

- в начальной стадии процесса промерзания в делювиально-элювиальных отложениях, залегающих на поверхности траппов, вблизи подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, сформировался льдонасыщенный газонепроницаемый переходный слой, благодаря наличию которого значительная часть порового пространства траппов оказалась изолированной от прямого контакта с атмосферой;

- в промерзшем массиве процесс возгонки льда в подошве ВП-зоны и последующей сублимации его вблизи кровли, обусловленной наличием вертикального температурного градиента, сопровождался перемещением ВП-зоны вниз по системе крупных пор и трещин, увеличением льдистости долеритов вблизи подошвы СТО и формированием промежуточного слоя, который постепенно, по мере плоскостного сноса делювия и перемещения подошвы СТС вниз,подвергался криогенной переработке и преобразованию в переходный слой.

Плотность термопародиффузионного потока влаги пропорциональна градиенту температур в пределах ВП-зоны, поэтому на участках с расчлененным рельефом наибольшей интенсивностью процесс сублимационного льдообразования будет протекать в районе наиболее охлааденных нижних участков склонов и наименьшей - на плоских водоразделах, хотя и в последнем случае поток влаги, направленный к,подошве СТС, достаточно высок -порядка 2-ю" м/год. Таким образом, специфичное строение порового пространства трапповых тел, отсутствие в последнем

Э1

первичных льдов, создает предпосылки для перераспределения в массиве внутригрунтовых льдов из наиболее нагретых в наиболее охлажденные зоны. Траппы в этом случае выполняют функцию вакуумного насоса. Обусловлено это тем, что траппы в наименьшей мере подвержены выветриванию и ими, как правило, представлены положительные формы рельефа, характеризующиеся наилучшей дренированностыо.

По-иному протекает процесс формирования высокопроницаемых зон на склонах, где их образование обусловлено формированием^ систем крупномасштабных трещин бортового отпора,дроблением трапповых тел и подстилающих их полускальных карбонатных пород на блоки. Образование переходного криогенного слоя за счет развития натечно-конжеляционных инфильтрацион-ных льдов предохраняет сместившиеся вниз по склону блоки от дальнейшего выветривания и способствует длительному сохранению значительного количества газов атмосферного происхождения в поровом пространстве глыбовых осыпей. Относительно высокой проницаемостью характеризуются в основном верхнеплейстоценовые отложения. Более молодые голоценовые отложения 1НПТ и высокой поймы газонепроницаемы на всю мощность.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ В ШОТИНАХ

Исследования криогенных цроцессов в искусственных насыпях и плотинах цредставляют значительный теоретический интерес в связи с тем, что земляные сооружения можно рассматривать в качестве крупномасштабных моделей промерзающего массива в"начальной фазе образования многолетнемерзлых пород в условиях хорошей дренированности. Упорная призма каменно-на-бросной плотины является открытой термодинамической системой, процессы в большей части которой определяются взаимодействием грунтового массива с приземным слоем воздуха.Эти процессы достаточно сложны для изучения даже в насыпях из мелкозернистых грунтов, теплопередача в которых осуществляется преимущественно кондуктивным путем - наибольшие сложности прогноза физических полей в таких плотинах представляет прог ноз структуры радиационного, теплового и водного балансов

поверхности сухого откоса и гребня, от величины составляющих которых зависят теплофизические свойства грунтов и формирующаяся под влиянием процессов внешнего и внутреннего теплообмена температура ~tn поверхности сухого откоса. Исследованию механизма обратной связи между "tn и при однородных поверхностных условиях посвящен ряд работ В.Т.Балобаева, A.B. Павлова и др. Еще более сложны процессы тепло- и массообме-на в массивах из высокопроницаемых крупнообломочных пород, поверхность взаимодействия скелета которых с приземным слоем значительно превышает поверхность низового откоса и в начальной стадии процесса приближается к суммарной поверхности порового пространства пород. В результате процессов вторичного льдообразования со временем существенно изменяются эффективная пористость, удельная внутренняя поверхность поровых каналов, величина коэффициентов межфазового обмена, проницаемость грунтов, причем интенсивность такого рода изменений зависит от пространственного распределения локальных значений проницаемости, расстояния от поверхности сухого откоса, тепловых и гидродинамических условий на других граничных поверхностях. Значительный вклад в понимание физических процессов в подобных системах внесли П.А.Богословский, Н.А.Мухетдинов, Г.С.Шадрин, Р.М.Каменский, Е.А.Смирнов. Получен ряд интересных решений задачи о теплообмене потока сухого воздуха в изотропном массиве произвольной конфигурации с учетом инерциа-льных эффектов, влажного воздуха с учетом процессов возгонки-сублимации льда и влияния последних на проницаемость каменной наброски (И.С.Клейн, А.В.Февралев, В.А.Еданов), разрабатываются методы учета влияния ветрового давления, неоднородности фильтрационных свойств по вертикали,обусловленной дезинтеграцией обломочного материала при отсыпке его с верхней бровки уступов. В основу большинства прогнозных методов положена модель "фиктивного" монодисперсного грунта,не учитывающая эффекты, обусловленные полидисперсностью реальных грунтов, неоднородностью их строения и свойств в пространстве, особенности процессов криогенеза и качественное преобразование строения порового пространства при промерзании или оттаивании пород.

Любая крупная грунтовая плотина, построенная в области

распространения ММП, в течение весьма продолжительного времени является неравновесной системой, температура, влажность и проницаемость отдельных элементов которой существенно изменяются как в годичном, тан и многолетнем цикле. Распространение сезонных колебаний температур грунтов происходит со значительным запаздыванием, велитана которого зависит от эффективной температуропроводности грунтов, конструкции и размеров плотины. Монотонные изменения температур в основном обусловлены теплопритоком со стороны водохранилища, теплопередачей от профильтровавшейся через основание и тело плотины воды. В крупных плотинах значительное влияние на температурный режим грунтов может оказывать термогравитационная конвекция воздуха в крупнообломочных породах. Подобные эффекты проявляются в насыпях и упорных призмах земляных плотин высотой более 5 м. В крупных плотинах как, например, в плотине Вилюйской ГЭС, конвекция воздуха в крупнообломочных породах может являться фактором, определяющим температурный режим.

Время наступления квазистациояарного состояния, характеризующегося относительной стабильностью положения границы раздела между промерзшей и талой частью или постоянством среднегодовой температуры пород,существенно зависит от проницаемости пород. Для плотин, отсыпанных из слабопроницаемых .пород, время наступления нвазкстащюнарного состояния Т^ отличается очень большой продолжительностью, которая существенно сокращается в искусственно промораживаемых плотинах плотина на руч.Ойуур-Юрэгэ высотой около 17 м была проморожена за 2 года, в то время нак естественное промерзание этой плотины продолжалось бы в течение нескольких десятилетий. Для плотин из высокопроницаемых пород характерно наличие двух относительно стабильных состояний: формирующееся в период строительства и эксплуатации в течение при температуре

, обусловленное интенсивным конвективным охлаждением сухих крупнооблоыочных пород, и формирующееся в течение весьма продолжительного времени, порядка , квазистацяонар-ное состояние с температурой . Для упорной призмы плотины Вилюйской ГЭС = -30...-35°С, ттм = 1-2 года, = -2...-3 С, ТГ1а» 20 лет. Интенсивное охлаждение пород упорной призмы до температуры сопровождается глубоким дро-

мерзанием слабопроницаемых пород основания, в результате чего существенно изменяются геометрические характеристики фи-льтрирующего подруслового талика и затрудняются условия работы каменного дренажа. В период строительства и в первые годы эксплуатации скальные породы основания плотины Вилюй-• скок ГХ в районе примыкания к нижнему бъефу промерзли на глубину около 45 м, полное оттаивание которых в русловой части в последующем завершилось только спустя 20 лет; в районе береговых примыканий мощность промерзшей зоны увеличивается за .счет аккумулированных ранее "запасов холода" до настоящего времени. В значительной мере следствием интенсивного охлаждения со стороны упорной призмы явилось глубокое промерзание и длительное сохранение в мерзлом состоянии части суглинистого наклонного экрана, являющегося основным противо-фильтрадаонным элементом гидроузла. Наличие сравнительно жестких слабопроницаемых блоков мерзлого суглинка в талом пластичном массиве, каковым является основная часть экрана, способствовало существенному изменению характера фильтрационных и механических процессов в сооружении по сравнению с предполагавшимися на стадии проектирования. К исследованиям закономерностей деформирования такого рода тало-мерзлых систем должное внимание начало привлекаться только в самое последнее время (С.Б.Ухов, Е.Ф.Гулько).

Явление конвективного охлаждения техногенных крупнообломочных отложений имеет, по-видимому, довольно широкое распространение в природе, подтверждением чему, в частности, являются наблюдения на плотине, построенной на руч.Ойуур-йрэ-ге (Оловин, 1979), на которой в течение первого года эксплуатации наблюдалась термогравитационная конвекция воздуха в упорной призме на глубинах 6-8 м от поверхности, полностью прекратившаяся через 1,5-2 года. При разборке верховой перемычки (высотой 24 м) подводящего канала левобережной станции ВГЭС-2 в сплошном льдогрунтовом теле, которое представляла из себя упорная призма перемычки, были выявлены вертикальные каналы сечением до 0,5 ьг, в которых лед практически отсутствовал. Положение таких каналов легко обнаруживалось по вывалам сухих пород и быстрому образованию инея на их стенках после пересечения их горными выработками.

Интенсивность движения воздуха через поверхность высокопроницаемого массива определяется разностью параметров термодинамического состояния воздуха в приземном слое и поровом пространстве, эффективной пористостью и проницаемостью пород. Вертикальные потоки воздуха через поверхность, обусловленные непостоянством атмосферного давления, в условиях открытой системы не оказывают существенного влияния на юассообменные процессы в поровом пространстве массива.в связи с тем, что направление этих потоков одинаково во всех точках поверхности плотины. Более значительны!.! является влияние непостоянства температуры наружного воздуха, проявляющееся в периодическом изменении его плотности.

Между расходом воздуха через-поверхность сухого откоса плотины Вилюйской ГЭС и температурой наружного воздуха Т в течение суток наблюдается устойчивая корреляционная связь, при перепадах температур = , меньших 20°С,

имеющая вид = • Д ~Ь . При перепадах температур А , больших 20°С, и скоростях фильтраций около 2 м/с зависимость отклоняется от линейной в связи с турбулизацией течения. Температура выходящего летом из каменной наброски воздуха при гГ.> 0,2 м/с сохраняет постоянное значение в течение суток, а амплитуда колебаний температур воздуха в течение года довольно невелика и обычно не превышает Ю-15°С. Направление и скорость движения воздуха через поверхность сухого откоса периодически изменяется в течение года.

Характер циркуляции воздуха в каменной наброске на различном " удалении от поверхности определяется комплексом ^акторов, главными из которых являются длинно- и короткопериод-ные колебания параметров метеорологических полей, рельеф поверхности, проницаемость пород. Наиболее устойчивы по направлению циркуляционные потоки, проникающие на большие глубины порядка 50-70 м, длина пути, фильтрации которых в 1,52 раза превышает высоту насыпи И (на плотине Вилюйской ГЗС £ = 100-150 м). Крупномасштабные воздушные потоки,(КВП) проявляются на поверхности температурными аномалиями: летом участки выхода воздуха располагаются вблизи сопряжения низо- -вой грани откоса с основанием и характеризуются очень низкими, порядка -Ю...-15°С, температурами, наличием на поверх-

ности или вблизи ее сублимационных или натечно-конжеляцион-ных льдов; зимой - вблизи гребня плотины и характеризуются аномально высокими, порядка 0-2°С, температурами, наличием полых внутри бугров из сублимационного льда, сплошной ледяной корки - под слоем снега. Направление движения крупномасштабных воздушных потоков изменяется два раза в год и обусловлено, в основном, длиннопериодными колебаниями погодных условий. Среднемасшгабные воздушные потоки (СВШ проникают на глубины 10-30 м от поверхности откоса, длина их £г составляет около 0,5И, на линейные размеры этих потоков существенно влияет рельеф поверхности и проницаемость поверхностных отложений. Возникновению СВД в теле плотины Вшгойской ГЭС в значительной мере способствовал ступенчатый профиль откоса, наличие на последнем трех берм шириной 5-10 м, поверхностные горизонты которых отсыпаны из сравнительно мелкозернистого песчано-щебенистого грунта с цримесью суглинка. СВД формируются в промежутках откоса между смежными бермами, участки входа и выхода СВП располагаются вблизи верховых и низовых бровок откосов. Направление и расход СВП изменяется в течение суток в соответствии с изменением мгновенных значений температуры наружного воздуха. Макромасштабные воздушные потоки (МВП) формируются в поверхностных горизонтах массива, величина и направление этих потоков с линейным размером €д аз I м существенно зависит от скоростного напора ветра, степени термической и динамической однородности поверхности, неоднородности фильтрационных свойств поверхностных отложений в плане. Интенсивность МВП изменяется летом с периодом 1-20 сек, скорости их составляет? менее 0,2 м/с.

Эффективная пористость &а , определенная на основании изучения температурных аномалий поверхности грунта, составляет 20-40$ от суммарной &0 , в редких случаях достигает 60/ь В делом доля поверхности откоса, через котбрую осуществляется активный воздухообмен с атмосферой, весьма невелика и составляет около 1% общей поверхности сухого откоса.

Интенсивность конвективного движения воздуха со временем уменьшается, о чем свидетельствует в частности умень-

такие с 1969 по 1979 гг. относительной амплитуды температурных колебаний / в упорной призме плотины в 2-5 раз ( Ах - амплитуда годовых колебаний температуры пород в массиве в точке в координатой эс , йв - амплитуда годовых колебаний температуры наружного воздуха).

Результаты прямых наблюдений за структурой водного баланса поверхности ВП-массива свидетельствуют о существенном преобладании процесса испарения с поверхности массива над конденсацией водяного пара на,эту поверхность. В летний период в тело плотины проникает около 28% общего количества атмосферных осадков. Интенсивность испарения влаги неодинакова по высоте откоса - она заметно возрастает с альтитудой как для всего сухого откоса в целом, так и в пределах участков откоса между смежными бермами - от низовой к верховой грани. В целом для всей насыпи характерно существенное уменьшение потока инфильтрационной влаги с повышением среднегодовой температуры поверхности (рис.5) - повышению -¿„ от -5° до +9°С соответствует уменьшение потока инфильтрата от 0,4 до 0,15 от количества выпадающих атмосферных осадков. Значительная доля потока инфильтрата в верхних участках насыпи, вблизи гребня плотины, обусловлена таянием снега, выпадающего в осенне-зимний период, в связи с постоянным подогревом поверхности грунта восходящими воздушными потоками - в районе точки 17 (см.рис.5) инфильтрация не прекращалась в денаб-ре, несмотря на очень низкие (-40...-50°с) температуры наружного воздуха.

Основная часть инфильтрационной влаги замерзает, попадая в зону отрицательных температур, увеличивая размеры льдо-грунтового тела, формирующегося в основании слоя сезонного протаивания, мощность которого не превышает 1-2 м в нижней части откоса, на отметках 0-40 м, но увеличивается вверх по склону до 15-20 м на отметках 50-60 м. Некоторая часть ин-фильтращонной влаги испаряется в межпоровом пространстве и выносится восходящими воздушными потоками в атмоферу. В особенности интенсивный вынос внутрипочвенной влаги в виде пара наблюдается в зимний период, который в значительной мере восполняется поступлением его в летний период. Разность упругос-тей водяного пара входящего и выходящего из каменной наброс-

ки воздуха в обоих случаях в среднем за сутки составляет 24 мбара.

ОА -

0,3 -

0,2-

Щ 17

-4

—Г" 8

tn ГС

Рис.5. Зависимость годового ин-фильтрационного стока <*„/« от среднегодовой температуры поверхности -£„ крупнообломочных пород ( в - атмосферные осадки, 6-IB - положение кон-денсатомерных устройств на поверхности сухого откоса плотины).

Поток инфильтрационной влаги в центральной части плотины в зависимости от среднегодовой температуры поверхности изменяется в пределах от 50 до 180 кг/м^год. Вблизи береговых примыканий cj,w может значительно превышать упомянутые величины за счет дополнительного притока надмерзлотных и поверхностных вод с берегового склона. По-видимому, этими причинами объясняется аномально высокая льдистость пород упорной призмы верховой перемычки водонодводящего канала, за 7 лет существования которой образовалось льдогрунтовое тело мощностью 14 м. Это свидетельствует о возможности образования в краевых участках насыпи вторичных внутригрунто-вых льдов со скоростью, соответствующей величине вертикального штока инфильтрата, достигающей 500 кг/м^тод. Исследование закономерностей пространственного распределения

внутригрунтовых льдов возможно с помощью косвенных способов, основанных на изучении вариаций температурного поля массива КОП. Учитывая, что вторичное льдообразование является наиболее существенным фактором, влияющим на проницаемость каменной наброски в недеформируемой среде,, о пространственном распределении льдистостй можно судить по пространственно-временным характеристикам поля локальных значений проницаемости. Рассматривая тепловой баланс элемента трубки тока при некоторых упрощавдих предпосылках в рамках поршневой модели,получено уравнение

„ „ Ъ-Цдг

св • & ■ Я '(И/деГ

где с-с* , с в - теплоемкость минерального скелета и воздуха; М , _рв - молекулярный вес и"плотность воздуха при 0°С; Й. - газовая постоянная.

Анализ полей К для одного из поперечных сече-

ний плотины Вилюйской ГЭС, построенных на основе материалов многолетних геотермических наблюдений, свидетельствует о существенном изменении проницаемости крупнообломочных пород в период эксплуатации плотины: существенном снижении проницаемости каменной наброски на глубинах более 10-15 м от поверхности низового откоса в области упорной призмы, примыкающей к нижнему бьефу; заметном увеличении проницаемости грунтов в центральной части упорной призмы и подэкранной зоне. С помощью разработанного термограмметрического метода и полученных ранее соотношений между проницаемостью и льдистостьй можно определить концентрацию внутригрунтового льда в крупнообломочных высокопроницаемых породах в различные моменты времени и выявить особенности процесса перераспределения внутригрунтовых льдов в массиве, которые невозможно выполнить с помощью прямых наблюдений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поровое пространство ШП формируется под влиянием комплекса природно-климатических ^акторов планетарного, регионального и локального масштаба. Наиболее крупномасштабный

характер имеют процессы криогенной цементации и криогенной дезинтеграции массива, вследствие которых в КТ формируются специфичные структуры: сравнительно однородные по проницаемости в плане, но монотонно или скачкообразно изменяющиеся по мощности. Подвижность внутрипорового заполнителя ММП в нестационарных геотермических полях способствует преобразованию строения порового пространства в результате протекания в толще МЩ неравновесных термодинамических процессов. Количественным отражением макроструктурных особенностей порового пространства являются эффективная пористость и фильтрационная проницаемость, поддающиеся изучению с помощью различных модификаций газодинамических методов исследования пористых сред и основанные.на изучении реакции массива на возбуждение его искусственными или естественными полями.

Исследования проницаемости МШ включали три крупных блока, выполнявшихся на единой методической основе и обеспеченных большим статистическим материалом: исследования взаимосвязи гидродинамических свойств мерзлых пород с характеристиками их строения, выполненные в основном в лабораторных условиях; гидродинамические исследования строения и свойств ММП естественного залегания в условиях закрытой термодинамической системы; расходомерные, тепло- и воднобалансовые,аналитические исследования закономерностей формирования ММП в условиях открытой термодинамической системы в техногенных отложениях КОП.

I. Фильтрационная проницаемость Ку, мерзлых пород варьирует в весьма широких пределах (от Ю-^ до Ю-7^) в зависимости от строения, состава минерального скелета и концентрации внутригрунтового льда в поровом пространстве; между коэффициентами турбулентной и вязкостной проницаемости наблюдается довольно тесная корреляционная зависимость; относительная турбулентная проницаемость в большей мере зависит от льдистости пород по сравнению с относительной вязкостной проницаемостью; критическая средняя скорость течения газа в мерзлых КОП зависит от проницаемости и пористости минерального скелета, но практически не зависит от^льдонасыщенно-сти порового пространства; приближенная количественная оценка эффективной удельной поверхности поровых каналов и эффективной пористости может быть сделана на основе результатов

непосредственных наблюдений за величинами коэффициентов вязкостной и турбулейтной проницаемости.

2. Важнейшими характеристиками закрытых термодинамических систем, к числу которых относятся изолированные с поверхности переходным слоем льдонасыщенных пород, дренированные до начала промерзания массивы №21, являются: размер эффективного порового пространства, внутрипоровое давление газа рв .В работе обоснована возможность изучения с помощью барограмметрических наблюдений: интенсивности процессов вторичного льдообразования за счет шшночнопародиффузионного потока плати через криогенную т"олщу; скорости смещения блоков горных пород по направлению в местным базисам денудации; климатических условий в периоды нарушения целостности верхнего переходного слоя; эффективной пористости массива в пределах слоя годовых колебаний температуры. Предложен метод определения объема эффективного порового пространства, средней проницаемости массива в целом, а также его трещиноватой и пористой части.

3. Техногенные крупнообломочные отложения представляют из себя открытые термодинамические системы, проницаемость и льдонасыщенность которых изменяется со временем в результате тепло- и массообмена с приземным слоем воздуха, инфильтра-ционного льдообразования за счет поступления в массив атмосферных осадков, внутриобъемной конденсации водяного пара и образования сублимационных льдов из воздуха, движущегося

в порах наброски.

4. В процессе исследований разработаны новые методы исследования массивов МШ, в том числе:

- метод изучения гидродинамических свойств ЫМП в массиве, основанный на изучении распространения полигармонических колебаний атмосферного давления в трещиновато-пористой среде;

- метод изучения пространственного распределения вторичных внутригрунтовых льдов в крупнообломочных техногенных отложениях, применение которого, в частности, возможно в целях изучения пространственных характеристик льдогрунтового тела, формирующегося в упорных призмах каменно-набросных плотин;

- метод изучения изменения геометрических характеристик

порового пространства Ш1 за счет объемных деформаций массива или внутригрунтового вторичного льдообразования.

5.' Установлены закономерности:

- изменения вязкостной и турбулентной проницаемости, эффективной пористости, удельной внутренней поверхности, критической скорости фильтрации в. крупнообломочных породах в зависимости от средней концентрации в поровом пространстве натечно-конжелявдонных и сублимационных льдов;

- изменения внутригрунтового инфильтрационного стока в крупнообломочные порода в зависимости от климатических условий (среднегодовой температуры поверхности грунта);

- изменения температурного режима каменнонабросных плотин, составляющих теплового, радиационного и массового баланса поверхности искусственных насыпей в зависимости от состава и фильтрационных свойств грунтов.

6. В районах развития трапповых тел выявлены мощные толщи высокопроницаемых многалетнемерзлых пород, характеризующиеся хорошей гидравлической связностью в плане (в радиусе порядка I км и более), и по вертикали (до 60-80 м), формирование и длительное (по-ввдимому, с плейстоцена) сохранение которых обусловлено спецификой процессов эпикриогенеза.

Публикации по теме диссертации Монографии

1. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей. - Новосибирск: Наука, IS74. - 102 с. Соавтор А.В.Павлов.

2. динамика температурного поля плотины Вилюйской Г5С. - Новосибирск: Надка, 1980. - 48 с. Соавтор Б.А.Медведев.

3. Теплофизические исследования криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1983. - 244 с. Соавторы: В.Т.Балобаев, А.В.Павлов, Г.З.Перльштейн и др.

Статьи

I. Исследование гидроиглового способа оттаивания много-летнемерзлых пород в условиях россыпи р.Вача треста Лензоло-Т0.//Г*". россыпных и рудных месторождений. -М.: Нед-

ра, I9GÜ, с.27-32. Соавтор Ю.ГЛ.Ведяев.

2. Определение теплопроводности пород методом естественного температурного поля.//Вопросы разработки рудных и россыпных месторождений. - М.: Недра, 1970, с.221-224. Соавтор Ю.М.Ведяев.

3. Теплообмен протаивающих мерзлых горных пород с атмосферой при послойной разработке.// Колыма. - 1971., - № 4.

- С.10-12.

4. Тепловой баланс пленочных покрытий в условиях Заполярья.// Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. - М.: Наука, 1972, с.167-170.

5. Особенности льдообразования в каменнонабросных плотинах.// Мерзлые породы и снежный покров. - М.: Наука, 1977, с.136-142.

6. Некоторые особенности микроклимата приплотинной части Вилюйского водохранилища. //Техногенные ландшафты Севера и их рекультивация. - Новосибирск: Наука, 1979, с.124-129.

7. Особенности энергообмена промораживаемой плотины с атмосферой.// Строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений в Западной Якутии. - Новосибирск: Наука, 1979, с. 51-61.'

8. Динамика температурного режима плотины Вилшйской ГЭС в период эксплуатации.// Строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений в Западной Якутии. - Новосибирск: Наука, 1979, с.20-26. Соавторы Б.А.Медведев, Л.В.Муркин.

9. Динамика перестройки ландшафтов при разработке месторождений в зоне тундры.// Техногенные ландшафты Севера и их рекультивация. - Новосибирск: Наука, 1979, с.98-112.

10. Развитие внутригрунтовых льдов в насыпных гидротехнических сооружениях.// Геокриологические исследования в Западной Якутии. - Новосибирск; Наука, 1979, с.80-87.

11. Исследование газопроницаемости мерзлых пород в массиве.// Мерзлотные исследования в осваиваемых районах СССР.

- Новосибирск: Наука, IS80, с.90-98.

12. Некоторые вопросы охраны окружающей среды при разработке россыпных месторождений.//Охрана окружающей среды при освоении области многолетнемерзлых пород. - М.: Наука, 1980, с.50-55.

13. Газообмен многолетнемерзлых пород с атмосферой на во-

дораздельном участке р.лилюй.// Мерзлотные исследования в осваиваемых районах СССР. - Новосибирск: Наука, 19ьи, с. 33-90. Соавтор А.М.Снегирев.

И. Динамика физических свойств крупнообломочных вечно-мерзлых грунтов.// Иккенерные исследования мерзлых грунтов. - Новосибирск: Наука, 19Б1, с.96-116.

15. Влияние азональных ^акторов на температуру вечномерз-лых грунтов.// Мерзлые грунты при инженерных воздействиях. -Новосибирск: Наука, 1984, с.28-45.

16. Температурный и влажностный режим плотины Вилюйской ГЭС. // Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве. - Гл.: Наука, 19Б6, с.151-161.

17. Газодинамические исследования мерзлых пород.// Природные условия осваиваемых регионов Сибири. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1987, с.9-18.

, 18. Техногенные изменения природных условий в системе гидроузел - среда на Крайнем Севере.// Влияние ГЭС на- окружающую среду в условиях Крайнего Севера. - Якутск: jIj СО АН СССР, 1987, с.42-57. Соавторы Б.И.Колмаков, В.И.Федоряк.

19. Газопроницаемость мерзлых крупнообломочных пород. //Проблемы геокриологии. - М.: Наука, 1988, с.120-124.

20. А.С. ju 2I44I5 СССР, НКИ о4 о/Зи, i-Ж Е 02в. Способ подготовки мерзлого грунта к разработке / Б.А.Оловин (СССР). И 1134066/29-14, заявлено 14.02.1967. Опубл . 20.03,1966., Бкш. ii> II - 2 с.

21.Permafrost dynamics in the area of the Vilyui river hydroelectric scheme. In: Permafrost, Fourth Int. Conf. Proc. flat. Acad. Press, Washington, D.G., 1983, p.838-842. Соавтор П. К. I. ¡ельников.

22. Filtration properties of frozen ground. In: Permafrost. Fifth Int. Conf. Proceed., vol.1. Tapir Publishers, Trondheim, Norway, 1988, p.418-424.

Информация о работе

Оловин, Борис Александрович
доктора геолого-минералогических наук
Якутск, 1990
ВАК 04.00.07

Автореферат

Похожие работы