Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-геологическая оценка структуры вечномерзлых скальных массивов для гидротехнического строительства

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическая оценка структуры вечномерзлых скальных массивов для гидротехнического строительства"

Pi и ОД

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ f.lll 13J'i п0 ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи УД К-624.131

ТИМОФЕЕВ Владимир Юрьевич

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ВЕЧНОМЁРЗЛЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

(на примере Вилюйской ГЭС-Ш)

04.00.07 — инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1994

Диссертационная работа выполнена на кафедре Инженерной геологии Московского государственного строительного университета (МГСУ).

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогихеских наук, профессор С. Н. Чернышев

Одициальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических наук,, профессор Е. М. Пашкин

Доктор геолого-минералогических наук Н. Л. Шешеня

Ведущая организация: Государственный проектно-изыска-тельский и научно-исследовательский институт «Гидропроект».

Защш-^иссертации состоится « » 1994 г.

в « /л » часов на заседании специализированного совета К.063.55.04 в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « ^ . . . 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор

В. М. Кононов

ОИДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность -работа. Эксплуатация действующих гидроузлов и связанных с ними водохранилищ, а также и строительство новых гидротехнических объектов в Средней и Восточной Сибири продолжаются в современных сложных экономических условиях. Эффективность и безопасность, как строительства, так и эксплуатации в значительной мере зависят от правильного прогноза физико-геологических процессов в бортах водохранилищ и основании гидроузлов. Опыт эксплуатации Хантайского водохранилища, строительства Колымской ГЭС и других показывает, что прогнозирование процессов в вечномерзлом скальном массиве не менее актуально, чем для нескальНых грунтов. Причем для скальных массивов первостепенную роль играет детальное изучение структуры массива, трещинной пустотнос-ти, льдистости и других структурных характеристик. Обвалы на откосах и вьшалы в подземных сооружениях происходят по трещинам при протаивании лвднстого заполнителя. Поэтому народу со структурой массива необходимо изучать свойства грунтов по поверхностям ослабления и формы этих поверхностей. Для Средней и Восточной Сибири рассматриваемая проблематика осложняется тем, что в бортах долин вкроко распространены специфические деформации, вызванные деградацией мерзлоты в период голоценовогй- максимума температур и последующим формированием современной криолитозоны. Эти деформации известны давно ( Золотарев Г.С., 1980, Сахарова Е.И.,1950; Н.И. Соколов, 1955,1961; Чернышев С^Н., 1966 и др.) и носят разные наименования, однако,генезис их до сих пор исследован недостаточно, что сдергаиваэг построение адекватных ингсенерно-геологических моделей, необходимых для прогноза устойчивости бортов долин при техногенной воздействии, прогноза фильтрации, деградации мерзлота н т.д. Таким образом, проведенные нами исследования актуальны для поддержания и развития энергетического потенциала горнорудных районов востока и для.оманы природной среды этого региона.

Цель работа. Выявление закономерностей строения и формирования слозно построенных бортоа долины реки в названном регионе на примере участка створа Вялюйской ГЭС-Ш и других объектов. Построение ¿гёрархичесвоП схемы структурной неоднородности оползневого склона в массиве. Составление комплекса методов для получения расчетных характеристик инженерно-геологических элементов на каждом уровне неоднородности. Обеспечение решения задачи устойчиво-

сти бортов долины и высоких откосов в строительный и эксплуатационный период на конкретном объекте Вилгойской ГЭС-Ш.

Методика исследований включала геолого-съемочные, геофизические ( электроразведка в разных модификациях, сейсморазведка, эманационная съемка), иильтрационные методы. В большом объеме проведена математико-статистическая обработка результатов лабораторных исследования свойств грунтов, полученных экспедицией № 13 Ленгидропроекта. Совместно со специалистами-геомеханиками проводились полевые исследования свойств грунтов для различных вьщеленных нами инженерно-геологических элементов.

Научная новизна. Основные научные результаты и новизна работы заключаются в следующем:

- обоснована концепция формирования бортов долины р.Вилюй на рассматриваемом участке, который можно считать типичным для региона;

- разработана иерархическая схема структурной неоднородности сложно построенного участка долины р.Вилюй;

- составлены группы методов для ввделения и изучения элементов неоднородности массива и физико-механических характеристик инженерно-геологических элементов на каждом уровне. Совокупность методов представляет собой комплекс, который можно рекомендовать для исследования поставленной проблемы на реках Средней и Восточной Сибири, а также в других регионах;

- разработан оригинальный индикаторный метод нагнетания воздуха в штольни для определения пустотности и коэффициента фильтрации массива.

. Практическое значение работы. Разработана инженерно-геологическая модель вечномерзлого оползневого склона на участке створа Вилюйской ГЭС-Ш для расчетного обоснования мероприятий, обеспечивающих устойчивость бортовых примыканий плотины и бортов водохранилища. ,

Разработан и использован «ошшекс методов инженерной геологии и геомехаикки для получения расчетных характеристик инженерно-гао логических а расчетных элементе®.

Разработан и использован метод дашатания воздуха с индикатором, который позволил установить связь открытых трещин в мерзлом массиве, еычислигь трещинную пустотность и коэффициент фильтрации.

Всс это позволило. обеспечить устойчивость откосов котлована на Вилкзйской ГЗС-Ш в строительный период, а таете уменьшить объем котлована на 644 тыс.н^.

Такяе обеспечены расчета устойчивости бортов долины р.Вилюй на эксплуатационный период с учетом температурного режима, на основа разработанных нами моделей.

Защодаейыё положения.

1. Гипотеза формирования ополенавого склона ангарского типа.

2. Классификационная схе;.-а структурной неоднородности массива горных пород с иерархической неоднородностью (на конкретном примере).

3. Ко:.тлэкс методов, позволяющий выделить элементы неоднородности массива"и определить их физико-механические характеристики.

4. Метод нагнетания в штольни воздуха с индикатором.

Фактический материал. В основу диссертационной работы поло-

йены материалы изысканий экспедиции № 13 АО Ленгмдропроект, результату натурных и полевик исследований, выполненных автором в составе исследовательской группы в период с 1984 г. на ряде объектов северной гидротехники ( Колш/ская,. Вилвйская, Адычанская ГЭС), а токзае на р.Дено в районе г.Качуг, :

Апробация работы. Основные положения-работы докладывались и сбсугдаяись на Всесоюзном совещании "Гидротехническое строительство п районах Крайнего Севера" СГС-86 ( Красноярск, 1986), на 1-ом ст-оздо инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов ( Ккэв, 1933), научно-практической конференции "Проблем! шехо-нерно-гсологкческиз: истскшгай в криолктозопа" ( Магадан, 1989), паучио-тсяитчоскпх конференциях МГСУ ( Москва 1$3б, 1988, 1990, 1391).

Внедрение. Результаты исследований внедрены на Вшгойской ГЭС—5П при обосновании мероприятий, обеспечивающих устойчивость откосов строительного котлована и береговых'примыканий плотинн гидроузла, и позволили получить экономический оффект от сокращения объгзка земляных работ в кстловано Вшгойской ГЭС-Ш в размере 2 млн.руб. з ценах 1984 г. •

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы. Работа выполнена в Московском Государственном строительном университета ( МГСУ ) в рамках ксадогсяоргих тем, а также аспирантуры МГСУ на кафедре ишхенерной геологии.

Объем -работы. Диссертация состоит из введения, 3 глаз, заключения и приложения. Работа изложена на 222 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 62 рисунка и фото, список литературы из 80 наименований. В приложении приводятся результаты геофизических исследовакий ( карты геофизических параметров) и справки о внедрений, подтверждающие полученный экономический еф-фекг.

Автор благодарит д.г.-м.н., профессора С.Н.Чернышева, под руководством которого проводилась работа над диссертацией. В процессе работы автор пользовался помощью и консультация:.«! Е.С. Дэекцера ( ПНИМИС Б.А.Гранита, А.Н.Власова, Ы.В.Королева (МГСУ) яоторьга искренне благодарен. Автор также кфанает благодарность заведующим кафедрами Механики грунтов, оснований и (фундаментов и Инженерной геологии МГСУ чл.-хорр.МИА профессору Ухову С.Б. и профессору Г.А.Пауккииу, под руководством которых он работал в МГС за помощь в работе, и главному геологу экспедиции 13 Лешгадро-проекта В.К.Шалину за помощь в проведении подевал работ.

SS^JliS^JLiiiSSEl

Во введении рассматривается проблиа, связанные с изучением вечномерзлых скальных массивов.

Показано, что имеется бЪльисо количество разяшашх штодов для расчетов устойчивости склонов и откосов» Однако,существует необходимость их соворсонствования для слегло построении:*; вочпо-ыерзлых массивов горккх пород на основе построения адекватных ШЕсенерно-геологагаескта моделей и расчетных схем.

При использования раеяетшх ютодов виостэ с ишаратоа ЭШ существенное значение к-сет выбранная 'расчищая схема, которая базируется на представлениях о строении рассматриваемого массива. Такюд образом, правильные представления о строении массива лежат в основе любого из расчетов. Недооценка в исучошш массива, особенно вочномерзлого, может привести, к формирования кспраанль-!шх представлений о его строении и создании расчетной схема, не отракмщей, тбо отржащев но достаточно точно и полно, ото строение. В таких случаях дальнойяиа расчога могут оказаться неверными я привести к «епразкйьннм проекции решит!.

Неоднородность ;;ассивов гор;шк пород связана с ш: раолкчпш геологичеекш строения.!. Протеи, чем мельче исситаб обобщения геологического строения в продола:« сфорн взаимодействия гсоло-

гической среда с сооружением, -те» более однородным представляется ото строение. Однако, выделяя иняенерно-геологическио тела (олементы), конфигурация и размер которых устанавливается в соответствии с критериями, определяемыми их свойствами, а также требованиями расчетов физико-геологических процессов, проводимых при проектирования сооружений, мояно увидеть, что неоднородность геологической среди возрастает и может существенно усложнить расчета.

Опираясь на представления теории петро-литогенеза и поло-Кения теории изменчивости, разработанной Г.К.Бондариком (Г.К. й0ндарик,1971), последовательное ¿нделение все меньших по объему геологических тел по геологически обоснованным и правильно ^актированным признакам приводит к тему, что выделяемые геологические тела становятся все более однородными в инженерно-геологическом отношении.

Рассмотрены существуйте классификации уровней неоднородности, сыдолягмих в массиве по различным геологически обоснование признаком ( Семик Е.И.,1962; Рац М.В.,1963,1968; Дементьев Л.й.,1965; Чернышев С.Н.,1971; Бондарик Г.К.,1986).

Разработанная М.З.Рацем, С .Н, Черняевым и Л.С.Язвиным классификация фильтрационной неоднородности массивов горных пород положена в основу подхода в изучении .строения вечномерзлых массивов. Цели Езделзния таких частей геологической среды, кото-£ri3 можно било бы принять однородными в отношении показателей Свойств, используемых для расчетов, потребовали детализации расчленения геосрсды с использованием как традиционных, так и специальных критернзз и методов, используемых в инженерной геология.

Анализ существующих литературных даюшх показал, что с раз-витнем взглядов на зависимость устойчивости пород от влияния гоелогичоекгк факторов изменилось отношение к аналитическим рас-пстнум схемам и погребогалась разработка нового подхода к расчетам устойчивости ( Еомдарик Г.К,,1985; Варга А.А.,1989; Г.С. Зэлотрргз,1971,ICC0; Яс.тэтко А.З.ДСТб; Кошдо И.С. а др.1981; Ляксеян А.Г., 1978; Паяккк Б.М.,1501; Узгоз С.Б.,1375; Чернышев С.Н.,1984; ТПезтзпя !1.Л..,1986).

Больяуя роль елгроля гаиро:?смасп:5обкгл кссяедогспия и на-кошгонннй ошг иш'скателйР Гг.пропрооктп по изучению особенностей окалшлс пород, n ток числе и шзрэтах, :с основсго»?. гилретеге-

- б -

нических сооружений ( Голодковская Т.к., Варга A.A., Каган A.A., Каякш В.В., Колшко A.B., Кривоногова Н.Ш., Лыкошин А.Г., Молоков Л.А., Пирогов И.А. и др.).

Данными работами гг <азвн накопленный положительный опыт и разработанный комплекс! ¡ый подход к изучению вечномерзлых .массивов, которые объективно считаются сложными е геологическом отношении объектамл, что позволяем расчитывать на перспективность использования как отдельных инженерно-геологических методов исследований, приведенных в работе, так и методики построения инженерно-геологических и геомеханических моделей и расчетных схем вечномерзлых массивов, применительно к слоакш задачам проектирования. Анализ опыта строительства ГЭС на мерзлоте в нашей стране показывает, что оптимизация процесса иатлзнерно-гео-логических изысканий остается сажным звеном в успешной реализации проектных решений.

Глава I. Природные условия района исследований.

В глаае подробно рассмотрены природно-климатические и геологические условия района строительства Вшгайской ГЭС-Ш на р.Вилюй. Он находится в пределам восточной части Средне-Сибирского плоскогорья, на границз Вилюйского структурно-денудационного траппового плато и Вюшйской низменности. Отметки абсолютнга высот не превышают здесь 300 и. Климатическно особенности определяют на рассматриваемой территории конкретный континентальный режим с продолкительной суровой зимой и шхркш коротким летом и таенный лаедшфг с палашыи ыоролотнши почвами. Низкотемпературная, мощная (ДО 200 ы), сплошная по распространению криелито-эона ранне- позднеплейстоцемового возраста, широкое развитие подруслового талика р.Вилюй в сочахшши с сезонный проталванкз-л и промерзанием, а такта криогаш-шз процоссы, шлеэт большое пн-яенерно-геологическое оивчейие,

В геолого-структур.тю;!отпсшсипи исследуешй район находится . в пределах Еотуобинского сводового поднятия, рааделящего крушзш отрицательно структура, сгязшшяе с глубоки» прогибанием noseps-Hocs'H фундшънт, ~ Шшйскую я Тунгусскую еинекяиэы. Шарнир поднятия слабо изогнут и полого вздымается oi долина р.Виляй ид совер в сторону АпабарскоП аитекяизы и к юру но направлеишэ к Аигаро-Вгшойск£»1у прогибу. Рассматриваемая часть поднятия пере-

Крита верхнепалеозоЙскими отложениями карбонатной формации, под-стиласмыми глинисто-карбонатнши породами верхнего кембрия и ордовика. Породи обладают высокой льдистостьп (до 50$) за счет цемен-тно-сегрегсциокного льда в трещинах. Сами блоки пород характеризуются дьднстостью порядка 5-10% за счет пороэого льда.

Чрезвычайно вежнкы представляется вопрос о механизме формирования склоношх образований на участке исследований. Сложное геологическое строение склонов,-подвергшихся к тому же воздействии крногетшх процессов, объясняется, по нашему мнению, про-явлениен'гравитационных процессов d период голоценового температурного максимума, наложенных, по-видимому, на тектоническую складчатость платформенного типа со структурами будинаяа. Эти процессы а бортах долины и на сегодняшний день определяют их устойчивость.

В гидрогеологическом отношении район строительства гидроузла приурочен к Тшгскопу крылу Якутского артезианского бассейна. Моцность пояса отрицательных температур в пределах этой гидрогеологической структура достигает тысячи и более метров. Однако, мощность зош вечной мерзлоты не превышает здесь 200 и, таг: кап г.тубло залегают водоносные когалоксы, содержащие .рассолы охягдденныо■низо нуля - криопэги.

Глава.2. Структура вечиомзрзлнх скальных массивов.

Ео второй глагз подробно рассмотрена структура зечноморз-гы:>: скаяьиыз массивов на примерз строения участка створа Вилюй-скои гх-а.

йасснга вэтнок-зрзшх скольких пород представляют собой пттроднке обтазктн весьма слешого строения, изучение которых требузт большие затрат. Сложность ота определяется, прегде всего, к; неоднородность» ( Крипокогова H.S., Каган A.A. и др.,1976). Постс:.<у, кал тгпот К.М.Паскин ( Пашкин Е.М.,1981), иняенерно-геологичеекг.е кссхедозлнкя доета бить нацелена на изучение тех оссСснностей строения ийссива гортг: пород и то:-: его свойств, когорта могут служить рэгульгруг^нун признакам», наиболее сутце-стсснко определявши условия ссоруташш объекта. Особое значение при ото;,! получите отношение к массиву, как предмету целенаправлен!-;!»^ миеиерно-геогогичесяих исследований, признание зедуцей роли структуршга: особенностей 2 формировании свойств массива горных пород. Для расчетов сооружения необходима регу-

ляризация-результатов опробования, позволяющая учитывать неоднородность свойств пер >д.

Таким образом, иц-елирование и прогнозирование изменения температурного режима мерзлого массива, его фильтрационных, прочностных и деформационных характеристик является На сегодня одним из ¡важных составляющих в изысканиях и проектировании объектов гидротехники.

Сознательный отказ в данной работе от использования -при анализе вечномерзлых массивов принципов построения простых однородных моделей, а также наличие аппарата и соисполнителей для проведения сложных расчетов на структурных моделях, позволили сосредоточиться на построении структурной модели и задачах по исследованию, учету неоднородности горных пород как в ходе инженерно-геологичоских исследований, так и в расчете сооружений.

Проведенные на участке Вилюйской ГЗС-Ш исследования показали, что структура рассматриваемого массива развивается унаследований. Она определяет пути фильтрации, УиаследОБанность позволяет определить потенциальные поверхности сколькшия, по которым уже развивались круяныэ подвкгки. Поогсгду только структур нал модель массива ышез? обеспечить шщсш>& выполнение расчетов устойчивости склонов и фильтрации и црйкикав:щ плотим.

Инжеиерно-геологичоская модель отрааае* состав и строение природного объекта в соответствии с цслошк назначением пндс-нерно-геологичаския исследований ( Бовдарик Г.К.,1971 ладе- -ляет специфические особенности объекта,. сущбствэшшо Дйя поставленной эад&ади

Построение юшенврво-гоологйческой ¡додели нассиза юркая пород нвдии&зтея с взделаиия уроекзй неоднородности в ыаееиво путей выделения.олементов структурной неоднородности па каздом из уровней. Затем ввдолтгеп ШЕан&рко-геологкчсешэ слексн-ш. Деление объекта на соподчинении» едиша?г ссшшшастся на исто-рико-геолоркчсскоа. и .генетической подзедо. Кгщдай щкеланшй ©лемент должен бить охарактеризован лигелогичееки, структурно» описано его иапрягенное и температурное сосголнио. Фориой .представления иогул служить как керты,' так. и разреш.

Количество уровней неоднородности, размеры кьаэиоднородньЕ елсшнтов для шздого' уровня определяется в соотша'ствии с приведенными эдпсь щшцшкши. Разработшгшй; последовательный подход

в Ездолении и анализе структурной неоднородности вечномерзлого

массива участка Вилюйской ГЗС-Ш позволил выделить четыре уровня.

Исследование массива па низших уровнях структурной

неоднородности (первый и второй урозни)

Участок строящейся Вилюйской ГЗС-И захватывает участок долины р.Вкгой, включающий левый и правый борта, а ташке русло. Изучение геоморфологических особенностей(истории геологического формирования показало, что современное строение каздого из них имеет существенные особенности. С одной стороны, процесс осадко-иакопления происходил в одних палеогеографических условиях, в одно геологическое время. С другой, формирование бортов долины и русла было обусловлено различными.по существу и по степени воздействия На породы .экзогенными процессами, а такяе криогенной дезинтеграцией. Так породы под руслом реки подвергались силь-йо!1у сдавливанию со стороны бортов переуглубленной долины , что подтверждается наличием в днище долины р.Вилюй делитифицирован-шх, перемятых до состояния суглинка со щебнем пород. Лишь местами в суглинках находятся разобщенные глыбы скалымх грунтов, представленных долемкт&'я, известняками,' мергелями и залегающих в форм® структур будинежа.

Лоиый борт долии. в отлично от. правого, осложнен оползне-, гами деформациями блокового типа, схожими с виденными автором при исследованиях на р.Лене, описеннши ранее на р.Ангаре и других раках Средней и Восточной Сибири, а таккз в европейской части России ( Сахарова Е.Н.,1950; Соколов Н.И.,1961; Чернышев С.Н., 1265; Золотарев Г.С.,1900; Шеиеня Н.Л.,1984). Это явилось результатом изменения климатической обстановки в регионе в период голо- , цена и последовавшей деградации границы мерзлоты, причем как с поверхности земли, так и с подошвы. Борта долины, которые били устойчивыми только благодаря существованию криогенных толщ, перешли в неустойчивое состояние. Существенное отличие в -температурах массива горных пород между левым и правым бортами долины за спет спой и северной окспозиции склона и большая крутизна левого берега привели к формированию различных в структурном отношении участков.

Таким образом, на первом уровне песь массив разбивается на легобэргзЕгнй, правобережный и русловой.

Для наделения инженерно-геологических и расчетных адамситов второго уровня автором использовались геостатистические методы обработки данных лаборатгрных определений показателей физико-механических свойств грунт jb, полученных экспедицией J? 13 Денгцдро-проекта на образцах. Oui овная форма представления материала на втором уровне - игсленерчо-гоологичоский разрез. Для расчетной модели требуется упрощение ингенерно-геологической модели «ас-сива и выделение однородных олементов, выделенных На основе требований расчета, исходя из выбранннх расчетных показателей свойств

Всего было обработано 1465 определений плотности, 2722 определения влазиости, более трехсот определений сдвигающего усилия по данным испытаний образцов на сдвиговом приборе ГПС. Для каддого элемента, Бьщелепного па первом уровне неоднородности, были построены графики изменения этих показателей с глубиной. Также был проведен анализ пространственной изменчивости засоленности изучаемого массива (более тысячи .определений).

В качестве методики обработки лабораторных результатов был использован метод статистической обработки данных с построением тренд-поверхностей. Подобные работы широко известны к применяэт-ся при разработке математических моделей геологических тол. Поверхность регрессии ыскбт бить-прибяиаенно гаямюиа с помощью целого ряда методов (Вастелиус Д.В.,i960). В падем случае, для нахождения поверхности автором использовался рЕгреесйошшй анализ ( Пугачев В.С.,1979). Изучалась'зависимость параметров плотности сухого грунта ( ), влажности (V/ ), засоленности ( Н. ) от глубины. Регрессиошшй анализ позволяем аппроксимировать зависимость различных параметров свойств горних пород от глубина лвбши санкциями. В данном случаз била выбрана пояийсмиадьная-; функция рогрс" сии, т.к. всякая непрерывная фушгцлл с любой степеныэ точности моает быть широксишгрована полилоыеы, чтоследует из извоезгной теореыи Взерштрасса. Использовалась програша полиномиальной регрессии P0LRG, Лорядо« полинома повьашея до тех пор, пока . функция не выразишь наиболее существенные; вариации аиалиеирусаах значений по всему разрезу. Нас интересовали осяопомериоеги измене шш свойств с глубиной по всему разрезу по осп плотиин,т.е. по главный направлениям.иомоичивости для данного конкретного объекта исследований. Наличие точек перегиба функций на графиках и общие закономерности изменения свойств свидетельствуют о зональном', строении участка исследований. Б точках перегиба .графиков фуик-.

щШ характерно увзличеняз разброса значений свойств и, вследствии отого, дисперсии. Такой анализ изменения исследуемых свойств горных пород позволяет наделить иа.трафиках различные оенн, т.е, расчленить пассив на элемента неоднородности второго уровня.

В других случаях ззосмоано успезноо использование при аппроксимации логарифмических функций ИЛИ, НВЛрИМОр, ФУНКЦИЙ ОКСПОНОН— цнального гида. На Корггмской ГЭС по множеству профилей откосов удалось получить.обобщевннэ графики профилей откосов по участком .п аппроксимировать их функцией скспонспцкалыюго вида. В дальнейшем, результата отих исследований, в которая принимал участие и -. 'штор огой работа, блли пележецы п остову рзкокендацяя по - гыбору £глов гзгсзсгшя откосов как па сетом гидроузле, так я п схожих геологически;: условия:: Ддвдавской ГЭС.

В райотэ Э.И.Ткачука ('Ткачук Э.И.,1990 > обосноизяаотся ш-üop показательной функции. Однако, она монотонна и нз соотгатствует излому сдупе», взис и бользикстлу других cetopmct объектов, па ко-торих пзменспил спойст'а геологической ерэди носят слоягай характер. ; 3 результата провэдепнй:: псслодобшшй На вггерон уровпз структурной неоднородности нй-мн били гтделенм пять шгхепнрно-гоологичестп: элементов, что 2 три pnsa■ сократило их пзрЕСНачалыгоо количество, назначенное боэ тренд-г.падиэа, п позволяю упростить расчетную > с^спу без учг,ор5а тсппостн:

ИГЭ-1 - совокупность погортйюсттис ммомп-ппл: сюгсног??х от-яоаепвй, подделщи:: стрему при прг-эко яотлозеяа под плотину и при-шкепвй;

ПГЭ-П - озпяентшкз от доясритозого массива блохи, находящиеся Ебяпзя б^рэгог-ч:- уступов;

ПГЭ-П - ! ТО ОД t Юр ОД! It.' О по ф-'ЗИКО-МОЖШПТССКПМ !| фПЯЬТрЗЦИОЯ-ПК4 свойствам ополопог1»э образования, reiwrsi» блоадюо етросипа;

НГЭ-1У - ОДКОрОД'ШО ДвЛ1ЙКфщ?5рОЗа!Ш1Э суглкшш со щзбиеи (зона. пласпетоскгс? дс'^ормагрй л голоде;»).;

НГЭ-У - горизонтально Ьзлогащзз екаодзл и пояуекзяьпг'э грунта,' но затронут«? скловогатя прецосссмч»

ИССЛСД0!:Л.!П'Т ИСОДЦСрОДКССИ! Г?.СС''Га ШШНСрДО-ГСОЛСППОСЯИХ элементов (трсткЯ уровень неоднородности)

Необходимость постреешш геомехашмес^ой медали массива со всеми необходимыми характсркстнктт и создашэ иа ео базе рас-

четных схем потребовали дальнейшего анализа взделениых на предыдущем уровне квазиодиородних элементов. Для-рассматриваемого.в работе объекта актуальным является неоднородность внутри инженерно-геологического элемента, связанная с существованием'в нем блоков различного размера и форма и ыакблокового заполнителя. Дальнейшие исследования позволили обоснованно поставить в соответствие расчетные элементы и расчетные значения в соответствии с принятым методом расчета. Неоднородность (третьего) уровня определяет работу ПТГ в бортовых примыканиях грунтовой плотины на р.Вилюй: слоистые блоки осадочных горных пород и межбяокогае трещины, заполненные глыбово-щзбнистым материалом с'суглинистым-заполнителем; заполнитель трещин льдистый, пустоты в заполнителе''имеют поперечник до нескольких дециметров и кулиско соединяется между собой,

Для наиболее.детального исследования массива на третьем уровне 'в дополнение к имеющимся данным горно-проходческих и буровых работ, недостаточно детально отражающим неоднородность шделенгшх слоев в массиве для дальнейшего моделирования, были использованы'геофизические методы, ■ геомеханичеекке исследования, -фильтрационные исследования, специально разработанные для ©тих целей.

Комплекс геофизических методов включал'влоктроразведку,^ сейсморазведку, а также еманационну© съемку, очи методы были использованы, чтобы распространить имеющиеся сведения о строении отдельных фрагментов, участка, полученных по данным горно-проходчесюис работ, на весь участок исследований.

При использовании геофизических методов на участке.строительства Вилюйской ГЭС-Ш ш исходили из предпосылки, что оптимальный комплекс, 'вкдошхций сейсморазведочдаз и эдектроразводочкае методы, позволит оценить степень нзоднородности упругих свойств, оца-кить-по'нш прочностные и дефорьущнэшелз характеристики пород, а по ¡электрическим ~ выявить слабопроводящяо объекты и осуществить детальное картирование по параметру .

В качестве дополнительного метода, направленного на.изучение структурных особенностей массива, был использован метод ©ыала-ционной съемки, Предпосылкой применения е-гого метода служат публикации о возможности фиксировать им участки, в которых, в результате порораспродолснпя напряжений вследствие процессов гоодинами-: кн, техногенных воздействий, изменяется естественное напряженное состояние'( Горбушива I).С. ,1975; Рябоштан Ю.С.,1975; Еоццаренко В.Ы., и др.1933; Г^данова Ш.В. и др.,1935) и, как следствие, интен-

сивность зманационного потока из недр.

По результатам интерпретации олектро и сейсморазведочных материалов, для участка примыкания Виллйской ГЭС-И были построены карты изоом ( ), скоростей продольных ( Ур ) ц поперечных волн ( Уз ), динамического модуля упругости Юнга ( Ед >, динамического коэффициента Пуассона (Да ), а также карта параметра "-(д^ ", отражающая неоднородность массива по параметра!,I продольных скоростей и кажущегося сопротивления. По результатам сманационной съемки были получены карты концентрации эманаций в подпочвенном воздуха.

Обобщая полученшй с исмощьэ гесфизкчзских исследований материал можно констатировать, что комплоксирование геофизических методов позволило с больной дсетогзэрностыо выделить аномальные участки, особенно, если их местоположение подтверждается совпадением на картах различгазх полей.

Аномальные участки соответствуют зонам структурной неоднородности, гхарактеризугощимся .• пов' тпонной трещиноват остью пород с широкими (до I м) полыми трещинами, частично заполненными суглинком со щебнем и льдом■(межблочные зоны, зим зеркал скольжения), ^сиокло значения характеризует сохранные и трещиноватые блоки в массиве. Форма участков аномальных ¡значений, полученных на картах, даот основание считать, что осяаблеинчв эонв не образуют единую протяженную структуру. В пягг>о они вытянута вдоль реки и располо-неш кулисообразно.

Полно трещины, частично огполпеншз кмьекцконкни льдом и яа-фияещювштао л касслпе, гасит первостепенно® сначеиио для правильной сценки геомехаштчесния и фшьтрацпотж характеристик третьего пккенерно-геологичоского элемента. То обстоятельство, что они имеют кулисеобрасноа расположения очегидгая образе* используется в модели г:ш1ргп'.егшо-дсфэр:«5роЕйП110го состояния шссива, но не дает ответа па весьма ваатй вопрос о воагткага!* фильтрационной взаимосвязи их мегду собой, Ответа на стот вопрос в полной мере геофизические исследования но. дали.

Разработало католически' и проведению на участко лсвобсрся-ного створа ляехгаш иактотгдаяя поздуха п коротай массив покарали, что мезду пустотанп, встрсч*ш?!мд э птольнях левого борога, связь существует. При наги:::шин б?лл использован индикатор для определения пустотиости массива по яаяодпнм криггм разбавления. В задачу фильтрационных исслсдовмшВ входило так??« определенно' коэффициента фильтрации массива на основании изкер'зияя дингмяческих харак--тзркстйк восдувшого потока. '

Суть опыта состояла в следующем. В иссяедуешй массив в зимнее время через нагнетательную ытояыш закачивался воздух. С помощыр наблюдательных штолен, расположенных по обе стороны от нагнетательной штольни'на одном с ней горизонте, и штольни с глубине массива выше по.склону фиксировался выход воздуха из массива. При этом измерялся расход на выходе из массива в наблюдательная штольнях. Для определения времени прохождения воздуха через пассив и объема пустот был использован индикатор.

Пустотность левобережного массива в цорзлои состояния оказалась равной 0,205% (по данным зарисовок штолен - 0,23$); коэффициент фильтрации исследуемого массива по данным нагнетания воздуха составил 133,2-365,7 ы/сут.

Исследование массива на высшем уровне неоднородности (четвертый уровень)

Выделение высшего уровня неоднородности необходимо, чтобы вывести шсЕенерно-геологическое изучение структуры, массива на ыасЕ-таб!!ый уровень полеЕЫк и лабораторных исследований прочностных н деформационных свойств грунтов.

К числу методов выдеяашш элементов неоднородности шешаго уровня относится иЕЕснерно-геологическая докз^ентйция стенок разведочных и строительшх горних шрабогок, Нетоды определения свойств грунтов на 4-ом уровио - ото расчет по параметра:,! трещи:, полевые и лабораторшз геоиехатгаеекие исследования дйя вэделеннвде конкретных елеионтов'как ирадццуцеро» тга: и зтого уровня.

Получении?! разброс значений коофф^гентов фильтрации ИГЭ-Ш посла протаиваиия широк к носит логнормальный -характер распределения со средины значением около 100•ы/сут. Для консолидированного массива, а нобявдения в строительных шейках показали, что в случаз свободного протаивания без фильтрации происходит частичное закрытие трецин с упяотнзниеМ заполнителя, значение кооффк-циекта фильтрации составили 34-63 к/сут. Расчеты фильтрации показали сисодуо водопроницаемость пород в пришкаюшх плотины как в иерзлои, так и в талом состоянии,

■■■Разработанная, схема ..выделения уровней неоднородности позволила определить масштаб неоднородности и местоположение' типичных участков, подлежащих изучению к явлшзщихся клшешми при назначении расчетных характеристик в расчетной схеме. Определение конкретного местоположения целиков для проведения штадповых исследований составляли неучцуз и инженернуэ.задачу, так как известны

случаи, когда на объектах это делалось вслепую,

В штольне I? 1004, расположенной в пределах ИГЭ-Ш, перпендикулярно оси были пройдены две камеры, в которых были выполнены птампОЕке испытания грунтов. Данные исследования были проведены нафвдрой Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ, с участием автора в рамках хоздоговорной тематики и позволили обоснованно выбрать расчетшзе значения показателей прочности и деформируемости для расчетов устойчивости склонов и откосов.

Выполненные детальные инзенерио-геологические исследования иерархической струмурной неоднородности массива Еилюйской ГЗС-Й на ряде уровней, находящихся в отношении вложения, позволили, основываясь на полученных результатах, поставить в соответствие главные методы исследований вечнсмерэлого структурно-неоднородного массива и язделенпав при этой уровни структурной неоднородности (таблица) . Наряду с главными на каядом уровне использовались и другие котоди.

?!зтодц исследований вочнемарзлого структурио-}'2 однородного массива горних пород

Таблица

Уровни неоднородности 1 ГяаЕИйо катоды хедоления ГЙетоди определения обоб-1 элементов неоднородности ■! щокшх характеристик

1 {низший) Гсолого-гесморфологичес-кио (Масштаб 1:10000 -1:1000) Обобщения не производятся

п • Геостатистнчоскш (па основе анализа игченчивоста показателей еэоштв) Обобщения па производятся

И Геофизические иэтодм Геомоханические, гео-фильтрационнав, обратило расчеты, расчетшге ком- позитива

1У (ШС"ПШ) Сьеш;а и сэрпсоэка горних выработок и сбне^гшШ (Масштаб -1:600 - 1:20) Лаборатордао, пологие геог<с:;аштаес!:по, «одели-ровашо и расчет по параметре:! трсции

Глава 3. Методы и результаты расчетов устойчивости.

В главе приводятся методы и результаты расчета устойчивости склонов и откосов в строительный и эксплуатационный период,, для мерзлого состояния и с учетом возможного протаивания. Расчетный анализ устойчивости вечномерзлого склона сложного геологического строения воемокен при определенной схематизации объекта. Схематизация склонов включала разработку и упрощение гавяенорно-геологи-ческой и геомеханической моделей, изложенных во второй главе.

Механическое поведение горных пород и склона в целом рассматривалось в рамках общепринятых инженерных моделей: прочность горных пород на сдвиг - в соответствии с условием предельного равновесия Кулона-Мора, устойчивость склона - как равновесие потенциальной призмы обрушения, ограниченной поверхностью скольжения.

Расчеты коэффициентов запаса устойчивости ( ^ ) выполнены по методике Р.Р.Чугаева. Она предназначена для расчетов устойчивости грунтовых откосов и склонов при произвольных очертаниях поверхностей скольжения и была выбрана потому, что такие поверхности здесь имеются и ото отражено в предыдущих главах. Вывод об общей устойчивости склока базируется на исследовании устойчивости против сдвига по ряду последовательно рассматриваемых поверхностей скольжения, назначаемых на основе изучения профиля и инженерно-геологического строения склона, физико-механических свойст! слагающих его грунтов.

Прогноз устойчивости на строительный и зксплуатационный период

Проведешгые исследования устойчивости склонов и откосов на строительный период базировались на расчетах коэффициента запаса устойчивости для различных потенциальных поверхностей скольжения, выделенных в массиве по результатам комплексных инженерно-геологических исследований на участке Вилайской ГЗС-Ш.

Погенциалышо поверхности скольгсенкя (ИГЗ-У1), выделенные нами внутри оползневого тела (ИГЗ-П1), не представляют собой непрерывных поверхностей, пересекающих оползневое тело, и являются трещикамп ед-лисообразного раснолоаения.' Протяженность отделышх непрернвных трещин составляет десятки метров в плане и разрезе. Наряду с этим в краевой части массива, где мощность оползневого тела невелика, эти поверхности пересекают его и поэтому в расчет-

ной схеме характеризуются другими прочностными показателями. Мостики мезду кулисками трещинами состоят из слоистых блоков осадочных пород. Блоки находятся на траектории потенциального сдвига и существенно повшазт общее сопротивление сдвигу по потенциальным поверхностям скольжения. Однако,роль их в мерзлом и талом массиве существенно различна.

Проведены расчета устойчивости при вариантах врезки, предложенных ВялгайГЗСстроем, Ленгвдропроектсм, МГСУ, которые показали, что наибольшее йншеенш объемов оскелыю-скальнах работ при одновременном обеспечении устойчивости склона и откосов достигнуто в варианте, разработанном группой МГСУ с участием автора.

На оксплуатациоипый период институтом Ленгвдропрслкт для поколения устойчивости склона бнла запроектирована пригрузочная даешь из крзшиосблоысчиого грунта с суглшисяим противофильтра-ииснним окраном. Анализ устойчивости вечномеролого оползневого склона на оксплуатационшй период был проведен по ряду характерных сопений в верхнем бьефе и по оси плоткда.

На ока участках й:ли такло прослежены потенциалыме поверхности скольжения и э шпгогс частя.-? склона, где оползневое тело имеет пеболы-уз мсг,песть, зср::ала сгсользенвя. Таким образом, рас-чзтетй анализ вкптол прогноз устойчивости склона в трс-х выбранных сочешш:: по пяти пязезг« отр-^лсм стеедгстевпя и пяти криполи-1ГзШ"»м потенциальном папсрхйэс?гз сяоаьхзния в кагдоч.

Устройство керзлогной затеи з створе осноимх сооруясний г-доль нового берега р?ссгятр»валееь ГПК одно из осиовюк мероприятий, стпбэтигмфук^г: темперсти*!»**! з«язт и нрспятствунщ!« ст-•гетгтиип гер?» пород л йнвовоЗ часта сплои»*, и,слодователию, г101"''';йп'1их устойчивость на ун-отк^ь пр-'Т'яг-гзпм т; годепцчч соору» гхивяи гидроугзла. Поптрсг;!:;~:о урделк утпеткоз склона о рэсчптртчс СГ?СШ!ЯХ ясглп в основу раСЧСТООГО оурсзозявип ©$фвктивиоста ус-трсГ^ства пзролоткоЗ гзгезы п дотерто могу? воятш-

}уеъ при ся кпееде яэ строя; оноят» тс«пср?лтур?гого состояния и устойчивости ло.веборелного склона б:гл гнпелнач для дщух расчетная случмов: с учою?? работ« мерзлотной попйсн и при со отсутствии. Такой адтлпэ весдоа важи для того, чтебч оцсш'.тъ степопъ ттоюте-ш*я устойчияоетк пр'1 работе мерзлотной павссп, а на случай вихода из строя спсгс:'! о.тлгу'глгдн.ч.-уог'ройсто- знать шнкчалмюо аиеяг:-нио кезф^идоеитп запаса устойччяостп склона, Как показали нрии кссдодояшшя» при разной гошоннш с »шона в тон иди кном сечеияп

и очертании зафиксированных.в толще горных пород потенциальных поверхностей скольнения роль пригрузки упорной насыпью может быть различной - как повышающей устойчивость, так и понижающей. Расчет проводился в условиях взаимодействии многих факторов: противофильграционного экрана, мерзлотной завесы, пркгрузэчной насыпи и нескольких поверхностей скольжения. При ©том выяснилось, что увеличение пригрузки в одном из рассмотренных сечений вызывает уменьшение коэффициента.запаса устойчивости ( ^еО склона по раду поверхностей скольжения. В то ко время, в других сечениях увеличение объема долеритовой наброски играет положительную роль и повышает устойчивость склона. Все это очень затрудняло принятие оптимального варианта. 'Возыовашй. отказ мерзлотной завасы или неэффективность суглинистого экрана были такяе предметом наших расчетов. Как показал расчет, в случае отказа мерзлотной завесы или суглинистого экрана устойчивость склона может быть достигнута увеличением пригрузки. Однако, при втом несколько снижается устойчивость массива против сдвига по коротким поверхностям скольжения, расположенным в нижних частях склона^ Поэтому проти-вофильтрационный экран и мерзлотная завеса являются необходимым элементом в системе управления устойчивостью склона. Они обеспечивают сохранение мерзлоты, минимизируют объем насыпи и позволяя? достигнуть удовлетворительных коэффициентов запаса устойчивости . по всем поверхностям.

Реализация прогнозов

Наблюдения за реализацией проектных резений на Вилайской ГЭС-Ш в строительный период подтвердили нащи представления о строении изученного массива и его свойствах. Откосы в период строительства характеризуются устойчивость!). Никаких подвижек пород геодезическими методами зафиксировано но было. Фильтрационные характеристики пород подтвердились взличиной водопротоков в котлован, а высокие расходы цементного раствора, закачиваемого в левобережный массив для создания противофильтрационной завесы, свидетельствуют о налички в массиве на участке створа полых протяженных трещин.

Заключение.

Основные выводы по работе заюшчаэтся в следующем:

I. ВперЕыо выполнены компяосные детальные инженерно-геологические исследования оползневого склона ангарского типа; пред- , локена гоолого-генетическая гипотеза поэтапного формирования скло-

на; показана связь склоновых процессов с криогенными процессами.

2. Детально исследована иерархическая структурная неоднородность массива для непрерывного ряда уровней, находящихся в отношении вложения. Представлены инженерно-геологические модели массива для каядого уровня.

3. Составлен комплекс методов исследований структурно-неоднородного вечномерзлого массива с иерархической неоднородностью. При этом для каядого уровня выбраны методы, адекватные решаемым задачам (см.таблицу).

4. Разработан и использован метод нагнетания воздуха с индикатором, который позволяет проследить связь открытых трещин, вычислить пустотность и определить коэффициент фильтрации трещиноватого вечномерзлого массива.

5. На основе проведенных нами инженерно-геологических исследований для Вилюйской ГЗС-Ш выполнены тепдофизические расчеты и расчеты устойчивости бортов долины, разработаны и внедрены мероприятия по управлению температурным состоянием и устойчивостью массива в процессе строительства и «эксплуатации гидроузда. Предложенные мероприятия дали значительный экономический эффект. Надежность выводов подтвервдена фактической устойчивостью бортов вые-ыок в процессе строительства.

Основные положения диссертации опубликованы в

следующих работах:

1. Комплексные исследования структурной неоднородности нно-голетнемерэлого массива пояускалышя пород геофизическими методами. В сб.трудов Ш1С! яу.В.В.Куйб!Езва "Проблемы инженерного мерзлотоведения в онергекгаэском строительстве*. - М., МИСИ, 1987, (в соавторстве).

2. Комплекс иккенерно-геояеггпвских, гзомеханических исследо- ' ваний и расчетов для прогноза устсйчивэстя еползиевых бортов долины р.Вилюй на участке строительства Ешеэйской ГЭС-Ш. В сб.тезисов докладов I Всесоюзного съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. "Прогнозирование изменений геологической среды под влиянием техногенных процессов".- Киев, Наукова думка, 1989, (в соавторстве).

. 3. Инпснсрно-геологические модели мерзлых скальных массивов. В сб.тезисов докладов нручно-практ.конф. "Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозонэ". - Магадан, 1989.

4. Нагнетание воздуха в штольню для изучения строения вечно-мерзлого скального массива и определения его фильтрационных свойств. В сб.тезисов докладов научно-практ. ионф.""Проблемы ишенерно-геологических изыскашй в криолитозонё". - Магадан, 1989.

Подписано в печать 14.03.94 г. Формат 60хВ4*/16 Пгчать офсетная И-42 Объем I уч.-изд.л. Т. 100 Бесплатно

Московский государственный строительный укаверситот. Типография МГСУ. 129337, йосква, Ярославское а . ,2с.