Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование оползнеопасных скальных массивов на участках гидроэнергетических сооружений

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Моделирование оползнеопасных скальных массивов на участках гидроэнергетических сооружений"

РОССИЙСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕЭС РОССИИ>

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ПРОЕКТНО-ИЗЫСКАТЕЛЬСКОЕ И НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ИНСТИТУТ ГИДРОПРОЕКТ»

Г и од

2 1\ НОЯ На правах рукопчен

ГОРБУШ И НА Вера Константиновна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ НА УЧАСТКМ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 04.00.07— Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканне ученой с тс не»» кандидата технических наук

ИОСЕ«* 1997

Работа выполнена в отделе скальных оснований ОАО «Институт Гидропроект».

Научный руководитель — доктор геолого-минералогических наук Варга А. А.

Официальные оппоненты: профессор, доктор теин-адских наук, Кузнецов С. В.;

кандидат геолого-минералогических наук Кожевников А, Д.

Ведущая организация — ООО «Гидроспецпроект».

Защита диссертации состоится ^Я 1997 г.

в < 'У часов на заседании диссертационного совета ГСП, Москва, Волоколамское шоссе, д. 2 (в зале заседаний на K144.0I.01 в ОАО «Институт Гидролроект» по адресу: 125812, IV этаже).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «Институт Гидропроект».

Просим Вас принять участие в защите диссертации и нанра-шть омыв (в 2-х экз.) на автореферат диссертации ученому секретарю диссертационного совета KI44.0I.01 по адресу: 123362, Москва, а/я 393, Строительный проезд, д. 7а (АО НИИЭС).

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

В. Г. САМАРИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы днссертациоиой работы. Инженерно-геологический анализ опыта гидротехнического строительства показывает, что приблизительно на 15% рассмотренных объектах происходило значительное нарушение устойчивости природных склонов и строительных откосов. При этом скальные оползни довольно часто образуются неожиданно, заставляя корректировать проекты и переделывать незаконченные сооружения. До недавнего времени неточные оценки устойчивости откосов вызывались прежде всего несоответствием упрощенных расчетных моделей природной сложности инженерно-геологических условий и механизмам оползневых процессов. Однако в последние годы быстрое развитие расчетных методов и, в частности, численного моделирования существенно расширили возможности математических методов, а их применение на практике стало сдерживаться отставанием в их обеспечении исходными инженерно-геологическими данными. Поэтому особую актуальность в настоящее время приобретают вопросы совершенствования изысканий и повышения качества инженерно-геологической информации в соответствии с изменившимися требованиями геомеханического моделирования.

Изучение склонов затрудняется исключительным разнообразием и сложностью строения скальных массивов, многофакторностью и многообразием оползневых процессов. Поэтому большое значение в развитии методики оценки устойчивости склонов имеют вопросы систематизации факторов оползнеобразования и создания геосгруктурной классификации оползнеопасных скальных массивов.

Цель работы состояла в изучении влияния различных факторов на устойчивость скальных склонов и откосов для совершенствования методики инженерно-геологического моделирования потенциально неустойчивых массивов и геомеханического моделирования оползнеопасных процессов.

Основные задачи исследований включают :

1) обобщение и анализ оползнепроявлений, произошедших на участках гидроэнергетических сооружений в России и за рубежом в период с 1920 по 1995 гг.; 2) систематизацию природных и техногенных факторов, влияющих на устойчивость скальных массивов; 3) типизацию оползнеопасных массивов для усовершенствования методики оценки устойчивости склонов и откосов; 4) выявление некоторых характерных, но

малоизвестных и слабоизучеиных типов нарушений устойчивости скальных массивов; 5) сокращение разрыва мевду геологическими изысканиями и геомеханическими исследованиями на основе оптимизации моделирования оползневых процессов и комплексного подхода к проблеме обеспечения устойчивости скальных склонов и откосов.

Научная новизна работы. В результате теоретических обобщений и исследований получены следующие новые научные результаты:

- обобщен современный отечественный и зарубежный опыт оценки устойчивости склонов и откосов и моделирования оползневых процессов в специфических условиях гидроэнергетического строительства;

- проведена типизация природных и техногенных факторов оползнеобразования как основа для моделирования оползневых процессов и обоснования проектных решений;

составлена детальная геоструктурная классификация оползнеопасных массивов в увязке с возможными механизмами оползневых процессов в целях оптимизации расчетов устойчивости склонов м откосов;

- выполнен анализ и проведено обобщение фактического материала по малой-'Местным и слабоизученным в России сложным процессам типа "топали? и V' и "баклинга" с составлением предварительной геоструктурной классификации массивов, характеризующихся развитием этих процессов.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты способствуют совершенствованию методики моделирования оползнеопасных массивов и оценки устойчивости склонов и откосов на участках гидроэнергетических сооружений. Предлагаемую геоструктурную классификацию можно использовать для создания автоматизированных баз данных и дальнейшей разработки методов эмпирических классификаций скальных массивов. Полученные результаты 1.СШДК в 1-ю редакцию "Методических рекомендаций по оперативным наблюдениям за смещением оползневых массивов и своевременному предупреждению аварийных ситуаций" (ОНТП 0.05 "Гидроэлектростанции и энергетические сооружения", задание 03.02.03., : 'ОАО "Институт Гидропроект", 1997). ■

Исходные материалы и личный вклад автора в решение проблемы.

В основу диссертации положены результаты самостоятельной работы автора по оценке устойчивости скальных склонов и откосов на 18 отечественных и зарубежных гидроэнергетических объектах, в том числе на Курейской ГЭС (Россия), Камбаратинской ГЭС (Киргизия), Ташлыкской ГЭС-ГАЭС. (Украина), гидроузлах Ходааферин (Азербайджан-Иран),

Эшкакон (Россия), Константиповский (Украина), Аль-Вахда (Марокко), Капанда (Ангола), Котешвар (Индия), Мерове (Судан), Тишрип (Сирин;, Яли (Вьетнам) и др. В диссертации использованы фактические материалы, полученные автором из многочисленных литературных публикаций, а также фондовые материалы ОАО "Институт Гидропроект". Изучен и обобщен опыт изысканий и оценки устойчивости 350 оползней на скальных склонах и откосах, происшедших на объектах бывшего СССР и на зарубежных объектах.

Обработка и анализ статистического материала производились на ПЭВМ. Для расчетов устойчивости использовались программы, разработанные в отделе скальных оснований и отделе автоматизированных систем проектирования ОАО "Институт Гидропроект".

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на конференциях молодых специалистов института "Гидсопроект" (Москва и Канев, 1991 г.; Красноярск, 1993 г.; Самара, 1995 г., Ташкент, 1997 г.) и конференциях изыскателей института Тидропроекг" (Солнечногорск, 1993 и 1996 гг.), на заседании секции изысканий научно-технического совета ОАО "Институт Гидропроект" (Москва, 1997 г.), а таюье представлены в докладах на 7-ом Международном симпозиуме по оползням (г.Тронхейм, Норвегия, 1996 г.) и 11-й Российской конференции- но механике горных пород ( г.Санкт-Петербург, 1997 г.).

По материалам исследований автором опубликованы 5 работ и одна работа сдана в печать. , .

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Факторы, влияющие на процессы оползнеобразования и объединенные в три генетические группы: "внутренние" природные, "внешние" (триггерные) природные и техногенные.

2. Геострукгурная классификация оползнеопасных массивов, позволяющая оптимизировать разработку адекватных расчетных схем и прогноз механизма формирования оползней, а также осуществить выбор оптимального метода расчета устойчивости склонов и откосов.

3. Геоструктурная классификация массивов, предрасположенных к формированию оползневых процессов топплинга и баклинга как основа для дальнейшей разработки методики моделирования указанных процессов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения списка использованной литературы, включающего 344 . названия работ отечественных и зарубежных авторов и по существу представляющего собой

библиографию по теме диссертационной работы. Объем диссертации включает 194 страницы, в том числе 142 страницы машинописного текста, 10 таблиц и 46 иллюстраций.

Автор выражает признательность заслуженному геологу РСФСР Р.Р.Тизделю за помощь в подборе материалов, к.т.н. В.И.Речицкому, д.т.н. Ю.А.Фишману, инженерам | Б.Д.Зеленскому | , В.И.Резниковой, Т.Ю.Гусаровой, а также сотрудникам отдела скальных оснований ОАО "Институт Гидропроект" за консультации и ценные советы при выполнении работы. Особенно автор благодарен своему научному руководителю д.г.-м.н. А.А.Варге за постоянное внимание, помощь и поддержку на всех этапах выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы и сформулированы цели и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость.

Глава1. Оползневые процессы и методика их изучения на участках гидроэнергетических объектов. Историю изучения скальных оползней в связи с развитием: инженерной геологии и прогрессом в гидроэнергетическом строительстве можно разделить на несколько этапов. Современный этап (с 1965 г.) характеризуется прежде всего развитием механики скальных пород как самостоятельной научной дисциплины, изучающей свойства скальных массивов и закономерности их поведения под воздействием техногенных и природных факторов. В последующие годы быстро прогрессирующая инженерная геофизика обуславливает новый уровень количественного изучения свойств и состояния скальных массивов. Стремительное развитие вычислительной техники и появление новых (численных) методов чрезвычайно расширило возможности механики скальных пород. Большой опыт строительства сооружений в скальных и полускальных породах способствовал созданию методов ускоренной оценки устойчивости скальных массивов на основе эмпирических классификации, которые начади успешно использоваться при оценке устойчивости скальных склонов и проектировании скальных откосов. Прогресс механики скальных пород и потребности, связанные со строительством крупных гидроузлов и разработкой глубоких карьеров, позволили проектировать и строить сооружения со сверхвысокими откосами высотой до 500 м. При этом общее

количество непредвиденных оползней остается примерно на том же уровне, что и на предыдущих этапах (до 1965 г.).

В развитии инженерной геологии скальных массивов и изучении геологических аспектов формирования оползней большую роль сыграли работы Г.С.Золотарева, В.С.Федоренко, И.О.Тихвинского, В.В.Кюнтцеля, Г.И.Тер-Сгепаняна, Н.Н.Маслова, ГЛ.Фисенко, Е.П.Емельяновой, Н.И.Соколова, П.Н.Панюкова, Б.Куюнджича, Р.Шустера, Ван Сижинга, А.Немчока, К.Зарубы.

Современное развитие механики скальных пород и новые методы оценки устойчивости склонов нашли отражение в работах К.А.Гулакяна, С.С.Григоряна, Ю.А.Фишмана, Э.Г.Газиева, С.В.Кузнецова, В.И.Речицкого, А.И.Савича, Л.Мюллера, Ч.Джегера, Н.Бартона, З.Бьенявского, Е.Хоека, Дж.Брея, В.Витгке, А.Хайенса, П.Тербрюгге, Х.Хека, Д.Прайса, М.Романа.

При обобщении автором использованы данные по более чем 350 оползням, которые произошли на участках гидроэнергетических объектов в Росии и других странах за период с 1920 г. по настоящее время. Следует отметить большую разнородность и неполноту описаний отдельных оползней; кроме того, в исходной литературе большей частью отражены относительно крупные оползни.

Анализ фактического материала по оползням показал, ■ 'го в результате скальных оползней на гидротехнических сооружениях могут происходить значительные аварии при объемах оползней от 100 м^ до 100 кмЗ. Из общего количества скальных оползней вызывающих значительные аварии на гидротехнических сооружениях (см. рис.1) 46% составляют малые и средние оползни (объемом до 10$ м^), 42% - крупные оползни (до 10? м^) и 12% - грандиозные и уникальные (более 10^ м^), из них 67% оползней произошли на этапе выемки котлованов, 15% - при заполнении водохранилища и 18% - на стадии эксплуатации гидроузлов. :

За период 1950 - 1990 гг., как видно из рис. 2, количество аварий, произошедших на гидротехнических сооружениях в результате скальных оползней, практически не изменилось, и в среднем составляет три аварии в год.

Ущерб от оползней чаще всего связан с их непосредственным воздействием на гидротехнические сооружения (в качестве примеров можно привести аварии напорного туннеля ГЭС Клэбучег и напорного трубопровода ГЭС Лерешхи в Румынии, водосброса ГЭС Кэмбуру в Кении). Реже основной урон сооружениям наносится сопутствующими процессами, например, при перерастании оползня в сель или каменый поток (плотины

25

К 20

15 10

I

22

18

15

10

М лыс С

рсдшгс

Круп]

• 20

Грандш

10

Уникальные 1 1

Л

ЮОм3 1тыс.м3 Шыс.м3 100тыс.м3 1млн.и3 Юилн.м' IOOm.ih.m3 1км1 ЮкмЗ 100км'

Рис.1. Диаграмма распределения объемов скальных оползней, вызвавших значительные аварии на гидротехнических сооружениях (классификация объемов по Г.С. Золотареву)

Л

20 -18 -16 -14 -12 -10 -

16 16

1950 1955

1960 1965

1970

1975

1980

1985

1590

Рнс.2. Количество аварии, вызванных скальными оползнями па гидротехнических сооружениях в период 1950-1990 1г.

20

Вальтеллина в Италии, Калдерас в Колумбии и др.). К опасным сопутствующим процессам, специфическим для гидротехнических объектов, относится образование высоких разрушительных волн в водохранилище (плотины Вайонт в Италии, Жейкси в Китае и др.), а также перекрытие реки оползнем с последующим прорывом временной запруды (ГЭС Монтаро в Перу и д. р.).

Анализ опыта гидроэнергетического строительства показывает, что проектно-изыскательские работы для оползнеопасных скальных массивов в общем случае можно разбить на десять основных этапов, представленных на рис. 3. На схеме хорошо видно промежуточное положение моделирования на границе инженерно-геологических исследований и проектирования (позиции 4 и 5), что соответствует переходу от многосложных геологических описаний склоновых массивов к геомеханическому прогнозированию оползневых процессов. При этом основные методологические проблемы возникают на границе инженерно-геологического моделирования скальных массивов и геомеханического моделирования оползневых процессов. Эти вопросы возникают в связи с тем, что в настоящее время быстро развивающиеся новые геомеханические методы не позволяют реализовать большие возможности численного моделирования из-за недостатка исходных данных. Например, для численного моделирования необходим другой уровень знаний по напряженному состоянию, разрывной структуре массива и т.д.

Геомеханическое моделирование затрудняется также сложностью выбора оптимального метода расчета, поскольку с определенными геологическими условиями могут быть связаны разные механизмы оползания, требующие разных расчетных методов. Кроме того, инженерно-геологическим моделированием занимаются изыскатели, а геомеханическим моделированием чаще всего проектировщики, что часто приводит к недоучету тех или иных оползнеобразующих факторов, в результате чего моделирование является слабым звеном в общей цепи проектно-цзыскательских работ.

Геомеханическое моделирование оползневых процессов на участках гидроузлов главным образом производится математическими методами. В последнее время почти полностью прекратилось применение физического моделирования, но. несколько ' увеличилось использование новых ускоренных экспресс-методов моделирования на основе эмпирических классификаций. Из математических методов до сих пор преобладают наиболее простые детерминированные,, методы и, в частности, методы

Рис. 3. Последовательность этапов проектно-изыскателБскнх работ для оползнеопасных скальных массивов с выделением позиций, требующих применения геолого-структурной классификации.

предельного равновесия (МПР). Весьма перспективные вероятностные методы используются очень редко, прежде всего ввиду их сложности и недостаточной разработанности. В то же время отмечается ускоренное распространение численных методов, основанных на использовании ПЭВМ. К этим методам прежде всего ' относятся методы конечных (МКЭ) и дискретных (МДЭ) элементов. Увеличивается количество оползней, моделируемых одновременно несколькими методами.

Глава 2. Основные факторы оползнеобразования как основа тля моделирования потенциально-неустойчивых скальных массивов.

Общеизвестно, что формирование скальных оползней характеризуется многообразием сочетаний разнотипных факторов с различной значимостью. При этом каждый фактор требует особого подхода как при его изучении, так и при его количественной оценке, необходимой для принятия проектных решений и разработке укрепительных мероприятий. Знание этих факторов важно для понимания причин и механизма образования оползня и является обязательным исходным материалом для правильного моделирования неустойчивых массивов. В этих условия« большое практическое значение приобретает удобная и надежная систематизация изучаемых факторов. В диссертации на основе анализа инженерно-геологических материалов гидроэнергетического строительства выделено 11 основных факторов оползнеобразования, объединенных в три группы: 1)"внутренние" природные факторы, 2)"внешние" природные (существенно триггерные) факторы и 3)"внешние" техногенные (существенно триггерные) факторы.

В число постоянно действующих природных факторов (преимущественно "внутренних") входят структурные, литологические, гидрогеологические, экзогенные и геоморфологические факторы. Литологические факторы способны воздействовать на оползневой процесс через величину прочности пород, степень их пластичности, реологические свойства, степень лишфикации, фации метаморфизма, гидротермальные процессы и т.д. Влияние гидрогеологических факторов связано прежде всего с гидростатическим и гидродинамическим давлением подземных вод, снижением прочности некоторых пород при смачивании и др. Действие экзогенных процессов проявляется в основном при выветривании и разуплотнении пород, через эрозионные, геокриологические и другие процессы.

Анализ 350 скальных оползней показал, что из "внутренних" факторов главенствующим является структура скального массива. При этом

наиболее часто причинами оползней являются: структура напластования (35%), трещиноватость (26%), тектонические нарушения и разломы (18%). Причинами формирования оползней также являются кливаж и сланцеватость (16%), инъективные структуры - дайки, контакты, магматические тела - 5%. Часто эти структурные факторы действуют совместно. Это относится, главным образом, к складчатой структуре, которая играет нередко важную роль, контролируя ориентировку поверхностей скольжения, представленных поверхностями напластования, разрывами, кливажом и т.д. Воздействие "внутренних" факторов можно регулировать с помощью укрепительных мероприятий.

Диаграмма, показывающая процентной, соотношение различных способов укрепления скальных откосов, построенная по данным анализа 177 случаев применения креплений на реальных объектах, приведена на рис 4.

25

25

22

20 -

18

сэ а а.

ж 15 -

10

9

8

§

5

4

5 --

0 -I-----—-----

1 2 3 4 5 6 7 8 Рис.4. Процентное соотношение различных способов укрепления скальных откосов (177 случаев).

1 - анхера; 2 - дренажные устройства; 3 - расчистка; 4 - контрофорсы; 5 - заашхренные подпорные стены; 6 - покрытия из торкрет-бетона; 7 - лригрузка нижней части откосов; 8 - камнезатцитные сооружения.

"Внешние" существенно триггерные факторы действуют на усто ивость скальных массивов спорадически и для их прогнозирования необходимо использовать методы математической статистики. К природным

триггерным факторам принадлежат как гидролого-метеорологические явления, наиболее распространенными из которых являются сильные дожди (80%), интенсивное снеготаяние и температурные колебания (19%), так и сейсмотектонические явления (ок. ] %). Специфичными для гидротехнических объектов являютет случаи формирования наведенных (возбужденных) землетрясений при созданий водохранилищ, а также большое практическое значение сейсмодислокаций для потенциально неустойчивых склонов.

Из числа техногенных факторов оползнеобразования для участксн гидроэнергетического строительства особенно характерны такио существенно трштерные факторы, как подрезка подошвы или пригрузка верхней части склона (68%), изменение гидрогеологических условий под влиянием строительных работ и наполнения водохранилища (21%), некоторые виды строительных и взрывных работ (7%). К техногенным факторам,можно также отнести техногенную разгрузку напряжений и выветривание массива вблизи вновь образованных поверхностей откосов (ок. 4%). Прогнозная оценка влияния техногенных факторов решается особенно успешно с помощью методов численного, моделирования.

Глава .З.- Основные типы геоструктурных моделей оползнеопасных скальных массивов.' В' 'диссертации показано, что существующие классификации скальных, оползней имеют ряд недостатков, снижающих эффективность их использования при проведении изыскательских работ на створах и проектировании гидроузлов. Основными из таких недостатков являются несогласованность существующих классификаций с геомеханическим моделированием и недостаточное внимание к геоструктурным факторам, важным в практическом отношении.

Предлагаемая классификация оползнеопасных массивов, в отличие от существующих классификаций, построена на детальной геоструктурной базе в увязке с возможными механизмами геомеханических процессов и методами их моделирования. При этом выделение и систематизация геоструктурных типов неустойчивых массивов, а также выбор методов прогнозного моделирования оползневых процессов основаны на статистическом обобщении большого опыта гидроэнергетического строительства. Определение геоструктурного типа потенциально оползневого участка непосредственно при изысканиях позволяет выявить поверхности скольжения и отрыва, понять механизм процесса, выбрать оптимальный метод расчета, ускорить и уточнить предварительную оценку степени

ГЕОСТРУКТУРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Структурные типы массивов Основные структурные подтипы массивов Схемы массивов

1 2 3

I. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии структуры напластования 1. Напластование как плоскость скольжения, со складчатостью, определяющей наклон слоистости, и трещинами, способствующими отрыву блока от массива. ЛИ

2.Сложнодислоцнрованное напластование, обусловливающее криволинейную поверхность скольжения. ли

3.Сочетание напластования и секущих трещин, выводящих поверхность скольжения на поверхность склона.

4.Полого залегающие пачки осадочных пород различного состава, свойств и трещиноватости.

5.Пологие пачки "жестких" осадочных пород, залегающие на поверхности "мягких" пород и расчлененные крутопадающими трещинами на отдельные блоки.

б.Трешины напластования, круто падающие вглубь склона.

7.Падение слоев в сторону долины под углом, большим, чем угол трения по межпластовым трещинам, и с большой длиной слоев по линии падения. м

8.Поверхности несогласия с погребенной древней корой выветривания поверх нижнего структурного этажа.

II. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии тектонических нарушений. 1.Нарушение или сочетание нескольких нарушений, падающих в сторону долины и подрезающих поверхность склона.

2.Нарушение, соединяющиеся с поверхностью склона каким-либо другим ослабленным структурным элементом.

ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ Таблица 1

Наиболее вероятный механизм нарушения устойчивости массива и рекомендуемые методы расчета Объекты (выборочно)

4 5

Сдвиг блоков ио единой плоскости напластования или по двугранной поверхности, образованной плоскостью напластования или другой ослабленной поверхностью. Расчеты МПР. Днестровский (Украина), Ладжанурский (Грузия), Ташкумырский (Киргизия), Нурекский (Таджикистан), Дражиново (Болгария).

Сдвиг по криволинейной поверхности смещения. Расчеты МПР (Бишопа, Терцаги) и МКЭ. Вайонт (Италия), Слезка Харта (Чехия), Кортес-2 (Испания), Локтак (Индия), Кастраки (Греция), Понго-лапоорт (ЮАР).

Скольжение по сложной комбинированной поверхности. Расчеты МПР (Газиева, Янбу) и МКЭ. Кассеб (Тунис), Шанце (Чехия), Гаррисон (США), Рана Пратар Садар (Индия), Шехи (Китай).

Скольжение с вращением блоков по комбинированной поверхности, образованной системами трещии в различных пачках. Расчеты МПР (Фисенко, Моргенштерна-Прайса) и МКЭ. Диллон (США), Луксор (Египте), Кирка (Турция), Гэжоуба (Китай), Медисон Каньон (США).

Смещение блоков (иногда с некоторым вращением вокруг горизонтальной оси) за счет выдавливания или эрозии нижележащих слоев. Расчеты по методу Е.П.Емельяновой или МКЭ. Иркутский (Россия), Турново (Чехия), Нортгемптон (Англия), Килба Рэн (США).

Сложное оползание типа топплинг. Расчеты МПР, МКЭ и МДЭ. Жинвалский (Грузия), Нгглу (Афганистан), В и кои и Ксинагьян (Китай), Гл., nie Крик (Австралия).

Сложное оползание типа баклинг. Расчеты МКЭ и МДЭ. Ходааферинский (Азербайджан), Ертан и Людзяся (Китай), Орлик (Чехия), Ардес (Румыния), Кото Белло (Испания).

Смещение блоков по круглоцилиндри-ческим поверхностям скольжения с вовлечением в движение пород как верхнего структурного этажа, так и подстилающих пород. Расчеты МПР и МКЭ. Петрин (Чехия), Ионки (Папуа-Новая Гвинея).

Смещение блока по одной плоскости или двугранной поверхности. Расчеты МПР. Фолсом (США), Гордон (Тасмания), Параде л а (Португалия), Семино (США), Инфьерншгьо (Мексика).

Смещение блока по комбинированной поверхности скольжения, образованной разрывным нарушением.и другой ослабленной поверхностью. Расчеты МПР и МКЭ. Толорский (Армения), Трес-на (Польша), Либбк (США), Чивор (Колумбия), Рэпел (Чили), Хинго (Бразилия).

1 2 з

3. Близвертикальные .¡.нарушения, приоткрытые бортовым отпором. X 2 -

4. Разлом или ряд нарушений, с последующим развитием зоны интенсивной трещиноватости и тектонического дробления пород. <ш £ ¡С" в 1} я 1 ч-

III. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии трещиновато сти. 1.Система трещин, неблагоприятно ориентированных относительно склона.

2.Несколько систем трещин неблагоприятно ори-ентированных относительно склона. 1Ш

3.Системы трещин приоткрытых бортовым отпором. м п

4.Мелкая разноориентированная грещиноватость, образующаяся при выветривании.

IV. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии сланцеватости и кливажа. 1.Падение сланцеватости в сторону долины (сланцеватость может совпадать или не совпадать с ориентировкой слоистости).

2,Неблагоцриятное залегание сланцеватости, характеризующееся отсутствием четких и протяженных ослабленых поверхностей.

V. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии инъектав-ных структур. I.Наклонно залегающие дайки и силлы с падением в сторону долины.

2.Силлы, полото залегающие на мягких осадочных породах и характеризующиеся огчленением при-: склоновых блоков бортовым отпором. ,

Таблица 1 (продолжение)

4 5

Сложное оползание тина "топплинг". Расчеты МПР, МКЭ и МДЭ. Калдервуд (США).

Смещением блока раздробленной породы по цилиндрической поверхности скольжения. Расчеты МПР (Сарма) и МКЭ. Новосибирский (Россия), Мармарикский (Армения), Рамганга (Индия), Сагулинг (Индонезия), Теркуэл (Кения).

Скольжение блоков по единой плоскости, образованной одной системой трещин, или по двугранной поверхности образованной двумя системами трещин при наличии целиков. Расчеты МПР. Ондский (Россия), Ташлык-ский (Украина), Капанда (Ангола), Кэмбуру (Кения), Вивенхо (Австралия), Герлос (Австрия).

Сдвиг блоков по неровным ступенчатым поверхностям смещения. Расчеты МПР (Можевитинова) и МКЭ. Гэжоуба и Сейл Моунтайн (Китай), Урапу (Индия), Утапарика (Бразилия).

Сложное оползание типа "топплинг". Расчеты МПР, МКЭ и МДЭ. Чиркейский и Саяно-Шушенский (Россия), Токтогульский (Киргизия), Вахлич (Канада), Дез (Иран).

Ротационное смещение блоков по цилиндрическим поверхностям скольжения. Расчеты МПР (Спенсера, Тейлора) и МКЭ. Храмский и Мингечаурский (Грузия), Претибой (США), Аулоуз (Марокко), Чаира (Болария).

Скольжение блоков по четким поверхностям скольжения при эрозионной или техногенной подрезке склона. Расчеты МПР (Маслова-Берера) и МКЭ. Кончас (Канада), Котешвар (Индия), Шамбон(Франция), Крушне (Чехия), Вэурегард (Италия).

Медленное и длительное дифференцированное скольжение без образования четкой поверхности скольжения. Расчеты МКЭ. Шана (Индия), Ревельсток, Моран (Канада), Хиалонгди (Китай).

Скольжение по ослабленному контакту магматических тел, падающему в сторону долины под более крутым углом, чем угол трения. Расчеты МКЭ. Курейский и Богучанский (Россия), Каневский (Украина), Кариба (Зимбабве), Асуан (Египет).

Медленное, почти горизонтальное смещение отдельных блоков магматических тел (иногда с опрокидыванием) в результате вы-давливания или эрозии нижележащих пород. Расчеты МКЭ. Братский (Россия), Зерма-нице (Чехия), Мулай-Юссб (Марокко).

устойчивости массива, а также решить вопрос о необходимости дальнейших более детальных исследований.

В предлагаемой классификации, основанной на иерархической систематизации, структурных условий, выделено 5 основных типов и 20 подтипов потенциально оползневых массивов, схемы которых приведены в таблице 1, в которой также отмечены характерные структурные особенности и вероятный механизм нарушения устойчивости каждого из выделенных подтипов массивов.

I. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии стр. ..туры напластования наиболее распространены среди неустойчивых склонов на участках гидроузлов (около 35% рассмотренных случаев). Огчле-нение и движение скальных блоков происходит преимущественно по ослабленным контактам слоев или пачек, тонким глинистым прослоям, межпластовым трещинам и поверхностям несогласий. Наибольшую роль в снижении устойчивости бортов долин играют тонкие глинистые прослои с низкими сдвиговыми характеристиками. Большинство оползней образовалось при углах падения напластования от 20 до 45 градусов, и поэтому этот тип оползней особенно часто встречается в горноскладчатых областях. Однако встречаются оползни и по очень пологим прослоям.

II. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии тектонических нарушений, т.е. зон деформированных и раздробленных пород, образовавшихся в результате тектонических смещений крупных блоков скальных массивов, составляют около 18% от общего количества рассмотренных случаев. Следует подчеркнуть разнообразие внутреннего строения и заполнителя нарушений, обусловливающее большой разброс прочностных и деформационных свойств таких тектонических зон.

III. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии треввдноватосги имеют значительное распространение на участках пиротехнических объектов (26% от общего количества случаев). Вообще такие оползни имеют фактически большее распространение, однако из-за сраг .ттельно малых размеров они слабо отражены в литературе. Влияние треи,,шоватости на образование оползней зависит как от интенсивности трещиноватости и степени расчлененности массива, так и от степени упорядоченности трещинной решетки и ориентировки трещин относительно склона. При этом большое значение имеют также степень разгрузки и выветривания скальных пород.

IV. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии неблагоприятно ориентированной сланцеватости или кливажа

характеризуются значительной анизотропией прочностных свойств как материала пород в образце, так и всего массива. Неблагоприятное влияние этого фактора на устойчивость склонов составляет ■ около 16% от рассмотренных случаев. Наиболее распространенный подтип относится к наклонному залеганию сланцеватости с формированием по ней достаточно четких плоскостей скольжения скальных блоков при- эрозионной или техногенной подрезке склона. Следует отметить большой разброс углов падения поверхностей скольжения оползней на разных объектах от 7 до 60 градусов. Второй подтип характеризуется глубинным гравитационным крипом с очень медленными (от единиц до сотен сантиметров в год) и длительными (до нескольких тысяч лет) смещениями оползневых массиьсв. В отличие от предыдущего подтипа здесь происходит дифференцированное скольжение в пределах некоторой зоны без образования одной четкой поверхности смещения. ...

V. Массивы с формированием оползней при существенном влиянии инъективных структур зафиксированы в 5% случаев. Залегание и форма интрузивных тел определяют здесь размеры и направление смещения скальных блоков, отчлененных друг от друга трещинами.

Глава 4. Геоструктурное моделирование неустойчивых массивов на участках развития топплинга и баклинга. Обобщение опыта изучения оползней на участках гидроэнергетических объектов показывает на значительное распространение двух специфических оползневых процессов: топплинга (опрокидывание, поворот) и баклинга (прогиб, выпор). Эти процессы обычно начинаются с пластических и кончаются разрывными деформациями. Все это затрудняет их выявление, осложняет и снижает точность оценок устойчивости исследуемых массивов. Отсюда проистекает и слабая разработанность систематики и методики изучения подобных нарушений устойчивости склонов. Обращает внимание слабая известность топплинга и баклинга в отечественной научно-технической литературе, несмотря на их довольно значительное распространение. Представляется важным усилить внимание специалистов к изучению этих специфических процессов.

Для моделирования сложных многофакторных и многоэтапных процессов топплинга и баклинга, большое практическое значение имеет геоструктурная классификация массивов, потенциально неустойчивых из-за

развития этих процессов, а также соотношение каждого геоструктурного типа с соответствующим механизмом нарушения устойчивости склона и с оптимальным для каждого механизма методом расчета устойчивости.

Развитие процесса топшшнга в общем случае происходит на фоне процессов разгрузки, вызванных гравитационными силами пластических деформаций, трещинообразования, раскрытия существующих трещин и начинается обычно с оседания блоков с последующим вращением и смещением. Топплинг заканчивается обвалом или оползнем скольжения в зависимости от рельефа, формы блоков смещающихся пород, а также от ориентировки и размера трещин.

Из природных факторов наибольшее значение имеют рельеф местности, структура массива, естественная разгрузка, гидрогеологические условия и сейсмическия воздействия. Образованию топплинга главным образом способствует специфика геоструктурных условий и, в частности, более или менее крутое падение напластования вглубь склона. Из техногенных факторов основными являются подрезка, техногенная разгрузка и влияние взрывов.

Выделяются два основных механизма топплинга: а)гравитационный изгиб слоев (блоков), вызывающий образование близпараллельных склону тре - ин с последующим сдвигом вновь образованного блока, и б) наклон и отс ание блока, отсеченного трещиной бортового отпора от остального массива, с дальнейшим опрокидыванием и обрушением этого блока. В обоих случаях большое значение имеет прочность массива на растяжение.

Учитывая актуальность проблемы разработки методики изучения топплинга, в диссертации предлагается геоструктурная классификация топплинга, построенная, с учетом разнообразия морфологических форм и механизмов их развития, а также с учетом типичных случаев реальных, уже выявленных оползней и обвалов. В предлагаемой классификации топплинг разделен на следующие пять основных подтипов, а именно:

- связанный с гравитационным изгибом слоев;

- вызванный мелкоблоковыми гравитационными подвижками;

- образующийся в результате бортового отпора;

- развивающийся в прочных породах на слабом подстилающем основании;

- локальный в подошве активного оползня.

Баклннг происходит в слоистых осадочных скальных и полускальных породах с поверхностями напластования или системами трещин, параллельными поверхности откоса с углом наклона превышающим угол

трения. Развитие процесса баклинга происходит в два этапа: а) сжатие пород вдоль пластов под действием их собственного веса приводит к пластичным складчатым и блоковым деформациям приповерхностных слоев пород г, подошве склона с последующим скольжением и опусканием верхней чазти пласта; б) выход поверхности скольжения на склон и окончательное оползание потерявшего устойчивость приповерхностного слоя.

Процесс баклинга характеризуется многофакторностью. Следует отметить следующие основные факторы, воздействие которых приводит к развитию баклинга: разгрузка массива, угол падения и геометрия пластои, высота и геометрия откоса (крутизна, изогнутость), напряжения в подножье приповерхностного слоя, структура, состав и пластичность породы, поропое давление в массиве. Следует также выделить такие триггерные техно; ;нные факторы, как подрезку в подошве склона и пригрузку его верхней части При баклинге нарушение устойчивости массива происходит только при определенных сочетаниях высоты склона, ширины слоя породы и величины угла трения. Механизм баклинга значительно осложняется в случае чередования слоев пород с различными свойствами. В результате в массиве образуются "складки" разнообразных форм как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

В предлагаемой классификации баклинг разделен на три основных подтипа:

- пластичный (собственно баклинг);

- блоковый с неустойчивой блоковой структурой в нижней части приповерхностного слоя породы;

- локальный, как один из компонентов сложного комбинированного оползня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненных диссертационных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Обобщение имеющихся данных по 350 оползням на у стках гидроэнергетических сооружений свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования методики моделирования скальных оползней как важнейшего условия повышения точности и надежности

проектных решений, направленных на предотвращение оползней при строительстве и эксплуатации гидроузлов.

2. При выполнении проектно-изыскательских работ по обеспечению устойчивости склонов на гидроэнергетических объектах происходит качественный переход от многосложных теологических описаний массивов к геомеханическому прогнозированию оползневых процессов, при этом здесь наиболее слабыми моментами являются как недостаток исходных данных для реализации современных методов моделирования на основе достижений в области механики скальных пород, так и сложность выбора оптимальных методов расчета устойчивости скальных откосов. Положение также осложняется тем, что в гидротехнике инженерно-геологическим моделированием занимаются специалисты одного профиля, а геомеханическим моделированием - другого профиля, что приводит к разобщению единого процесса проектно-изыскательских работ.

3. Анализ причин формирования скальных оползней указывает на многообразие сочетаний ■ разнотипных факторов, что придает большое практическое значение ^ вопросам их систематизации. Выделяются три основные генетические' труппы факторов: а) "внутренние" природные факторы (структура массива, литологический состав пород и т.д.); б) "внешние" существенно триггерные природные факторы (гидрометеорологические и сейсмотектонические); в) техногенные факторы (изменения рельефа склона, техногенная разгрузка напряжений, способ производства.строительных работ, изменение уровня подземных вод и т.д.). Из-за многообразия эти факторы требуют различного подхода к их оценке и учету при моделировании и разработке укрепительных мероприятий. Изучение факторов, которые являются основным исходным материалом для концептуального моделирования оползневых процессов, необходимо для понимания причин и прогноза механизма формирования оползней. При этом особенно большое значение имеют структурные факторы: напластование, трещины, тектонические нарушения, сланцеватость и т.д.

4. Многообразие структур массива наряду с разнообразием генетических типов и механизмов скальных оползней существенно затрудняет моделирование оползневых процессов. В этих условиях большое практическое значение приобретает впервые разработанная классификация оползнеопасных склонов, которая в отличие от существующих классификаций построена на подробной геоструктурной основе в увязке с возможными механизмами оползневых процессов и различными методами

их моделирования. Предлагаемая классификация включает 5 основных типов и 20 подтипов потенциально неустойчивых массивов.

5. При обобщении опыта изучения оползней на участках гидроэнергетического строительства выявлено достаточно широкое распространение сравнительно малоизвестных и слабоизучешшх оползневых процессов топплинга и баклинга. Эти процессы являются сложными многофакторными и многоэтапными процессами, которые обычно в начале приводят к развитию пластических, а заканчиваются разрывными деформациями. Все это затрудняет выявление оползнеопасных массивов, осложняет и снижает точность оценок устойчивости исследуемых склонов. Значительную практическую помощь при изучении топплинга к баклинга может оказать предлагаемая предварительная геоструктурная классификация массивов, предрасположенных к этим процессам. Всего выделены 5 основных типов топплинга (связашадй с гравитационным изгибом слоев, вызванный мелкоблоковыми гравитационными подвижками, образующийся в результате бортового отпора, развивающийся в прочных породах на слабом подстилающем основании и локальный в подошве, активного оползня) и 3 основных типа баклинга (пластичный, блоковый и локальный).

6. Определение геоструктурного типа потенциально оползневого участка непосредственно при изысканиях позволяет упростить выявление поверхностей скольжения и отрыва в массиве, понимание механизма оползневого процесса, выбор оптимального метода расчета устойчивости склона, а также ускорить предварительную оценку степени устойчивости массива и решение вопросов о необходимости дальнейших более детальных исследований. Использование геоструктурной классификации для совершенствования методики оценки устойчивости склонов приводит к улучшению качества исходных данных для реализации ; чзросших возможностей современных методов математического моделирования оползнеопасных склонов. Геоструктурная классификация представляет собой также необходимую основу для дальнейшего анализа и обобщения опыта инженерно-геологических исследований скальных оползней, создания автоматизированной базы данных с целью их использования как в качестве аналогов, так и для дальнейшего развития методов эмпирических классификаций на балльной основе.

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих работах автора:

1. Систематизация основных факторов оползнеобразования для гидротехнического строительства. Депонировано в ВИНИТИ, N1415-B97, М., 1997, Юс.

2. Влияние оползневых процессов на обоснование проектных решений в гидротехническом строительстве. Депонировано в ВИНИТИ, N 1416-В97, М., 1997, 5с.

3. Воздействие оползневых процессов на строительство и эксплуатацию гидроэнергетических , сооружений. Гидротехническое строительство, 1997, N 10, с.33-37.

4. Основные типы геоструктурных моделей оползнеопасных скальных массивов. Проблемы механики горных пород. Труды Х1-ой Российской конференции по механике горных пород. СПб., 9-11 сентября 1997 г. Изд. СПбГАСУ, 1997, с. 115-120.

5. Инженерно-геологическая классификация склоновых процессов в скальных массивах. Труды Гидропроекта, вып.159, 1997 (в печати).

6. Geostructural classification of rockslides at damsites. Proceedings of the Seventh International Symposium on Landslides. Balkema. Rotterdam. Brookfield, 1996, pp. 1983-1988, (coauthor Varga A.A.).

Заказ 104 Тираж 120 Тип. Гидропроекта