Тема. Инженерно-геологические процессы Инженерно геологические процессы –

Тема. Инженерно-геологические процессы

Инженерно геологические процессы – результат взаимодействия в системе “основание – инженерное сооружение 1. разуплотнение пород в дне и откосах выемок и котлованов; 2. активизация процессов выветривания; 3. развитие суффозионных явлений; 4. нарушение устойчивости естественных и искусственных откосов. 5. развитие геокриологических процессов в районах распространения ММП при промерзании и оттаивании пород.

Обнажение горных пород в дне и откосах котло ванов и строительных выемок способствует их разуплотнению. Одновременно возникают благоприят ные условия для активизации процессов выветривания. Активизации процессов выветривания способст вуют также некоторые взрывные работы. Они вы зывают растрескивание пород на некоторую глубину. Это приводит к образованию техногенных кор выветривания различной мощности и строения. Степень развития кор выветривания зависит от длительности существования сооружений, климати ческих условий, рельефа местности и других факто ров.

К вопросу формирования кор выветривания Скорость выветривания зависит от состава пород и климатических условий. Скорость выветривания изменяется * от 0, 35 м/год (верхнепермские аргиллиты на участке Боткинской ГЭС) до 1, 5 м/год (юрские слабые алевролиты на участке Иркутской ГЭС на р. Ангаре). При небольшом сроке службы строительных котлова нов и выемок гидроузла (три-четыре года), коры вывет ривания значительной мощности могут образоваться толь ко на очень слабых полускальных породах: аргиллитах, слабосцементированных песчаниках и алевролитах с глинистым или растворимым цементом. В пределах откосов и выемок, рассчитанных на длительный срок службы выветривание может затронуть и более прочные скальные породы. * По данным наблюдений [Молоков, Калмыкова, Разумов, 1971].

Изменения ГС при заполнении водохранилища В верхнем бьефе Происходит подъем уровня грунтовых вод в обоих бортах водохранилища и насыщение водой части зоны аэрации Периодические колебания уровня воды в водохра нилище при его заполнении и сработках приводят к многократной смене водонасыщения пород их осушением, уплотняющих напряжений – взвешивающими. В результате активизируются процессы разуплотнения и выветривания, снижается прочность по род и происходит формирование зоне оползневых и обвальных явлений различного масштаба.

Изменения ГС при заполнении водохранилища В основании водохранилища Формируется общий прогиб дна водохранилища за счет передачи давления от веса воды на его скальное основание. Этот прогиб часто распространяется и на участок расположения основных сооружений. В сейсмически активных районах заполнение водохранилища нередко сопровождается возникновением «наведенных» землетрясений.

Изменения ГС в створе плотины Под воздействием веса строящейся плотины, а позднее давления воды со стороны заполняемого водохранилища в массиве возникают значительные по величине сжимающие, тангенциальные и растягивающие напряжения. Сжимающие напряжения приводят к осадке естест венного основания и выстроенных на нем сооружений. Растягивающие могут повлечь за собой образование трещин и нарушить целостность не только есте ственного основания, но и заложенных в него противо фильтрационных сооружений. Тангенциальные вызвать сдвиг плотины по кон такту бетон скала или имеющимся в основании плоти ны разрывам сплошности.

Прочность пород основания обычно значительно превышает величину сдвигающих усилий, которые развиваются в основании плотин при заполнении водохранилищ. Главную опасность для устойчивости сооружений представляет сдвиг по ослабленным поверхностям. Такими ослабленными поверхностями являются зоны сопряжения плотины с естественным основани ем (контакт бетон скала) и субгоризонтальные трещи нам, рассекающие естественное основание. В действующих нормативных документах рекомен дуется проводить расчет устойчивости бетонных плотин на скальных основаниях по схеме плоского сдвига.

Расчет по схеме плоского сдвига осуществляется в первую очередь по контакту бетон-скала. Оценивается также возможность сдвига плотины по горизонтальным или слабонаклонным трещи нам, вскрытым в основании сооружении. Конструктивно плотина всегда врезана на ту или иную глубину в скальные породы. При расчете на сдвиг учитываются: вес сооружения; взвешивающее воздействие гидростатического давления; гидродинамическое давление; сейсмические инерционные силы, действующие в наиболее опасном направлении.

Обоснование положения опасных поверхностей ослабления Положение опасных поверхностей определяется на осно вании детальных инженерно геологических исследований. В широких долинах с горизонтальным или слабонаклон ным положением пластов это контакты между пластами или трещины напластования. Они определяются достаточно надежно. Сложнее их выявить в ущельях при сложной складчатой или разрывной тектонике. Поверхность смещения обычно принимается многогранной. Она включает контакт сооруже ние основание и ряд разломов, трещин, ослабленных поверх ностей, ориентированных вдоль долины и падающих в сторону реки.

Обоснование положения опасных поверхностей ослабления Проводится проверочный расчет устойчивости по различ ным сочетаниям таких поверхностей. Это позволяет оценить устойчивость плотины для всех выявленных случаев и уста новить наиболее опасный. Например, при расчете основания Токтогульской ГЭС оценивались 11 потенциально опасных комбинаций поверхностей. Значения коэффициента устойчивости изменялось от 1, 09 до 1, 20. При ИГ исследованиях сложно выявить все крупные трещины. В основании сооружения они выявляются в основном по данными бурения. Поэтому никогда нет полной уверенности в том, что выбранная комбинация поверхностей смещения является наиболее неблагоприятной

К выбору и обоснованию расчетных значений показателей прочностных свойств Обычно в качестве расчетных значений показате лей прочности используются данные лабораторных исследований обработанные с использованием метода доверительных пределов с высокий доверительной вероятностью. Часто выбор расчетных значений характеристик прочности осуществляется с учетом опыта строите льства бетонных плотин в сходных ИГУ. Для оценки прочности контакта бетон-скала в современной практике применяются крупномасштаб ные полевые опыты сдвиги штампов, прибетониро-ванных к подстилающей скале. Штамповые испытания дополняются сдвигом целиков по некоторому числу типичных трещин.

Особенности проведения полевых испытаний Организация полевых опытов сложна и требует больших затрат времени, число их обычно сравнительно небольшое. Камеры для испытаний размещаются с таким расчетом, чтобы были охарактеризованы различные разности пород (при неоднородном основании), участки сохранной породы, зоны тектонических нарушений разного типа и пр. Все опытные работы сопровождаются детальным описанием пород; определением количественных характеристик трешиноватости (модуль трещиноватости, коэффициент трещинной пустотности) определением простейших показателей ФМС пород (плотность грунта, временное сопротивление сжатию); сейсмоакустическими исследованиями. Результаты испытаний обрабатываются статистическими методами.

Деформации скальных оснований бетонных плотин гравитационного и конфорсного типа Развиваются они как в вертикальном (осадка), так и в горизонтальном направлениях. Наибольшее практическое значение имеет осадка, включающая две составляющие: а) условно мгновенную упругую деформацию монолитной скальной породы б) развивающуюся по времени деформацию, связанную с ползучестью монолитной породы, обжатием слабых прослоев и закрытием трещин.

Расчет осадок бетонных плотин на скальном основании включает три последователь -ные операции: а) схематизацию скального основания с выделе нием структурных элементов, характеризующихся однородностью по деформационным характерис тикам; б) установление для каждого выделенного эле мента надежных расчетных значений деформа ционных характеристик; в) расчет величины конечных осадок.

Получение информации для проведения расчетов осадок Естественное основание будущей плотины зани мает донную часть долины и располагается ниже уровня грунтовых вод, где применение горных работ практически невозможно. Для изучения особенностей строения массива используются в основном геофизические методы и буровые работы. Однако они не дают достаточно надежной информации о многих важных характерис тиках естественного основания (длине и степени раскрытости трещин, составе и свойствах заполни теля и др. ).

Особенности проведения полевых испытаний Для определения модуля общей деформации опытные нагрузок на штампы выполняют в камерах, пройденных из разведочных штолен или шахт на значительно более высоких отметках, чем расположено естественное основание, что снижает надежность экстраполяции. Возможности применения этого метода ограничены нали чием, числом и положением шахт и штолен, вскрывающих сохранную часть массива. Полевые испытания сложны и требуют больших затрат времени. Обычно выполняются в сравнительно небольшом числе (20 40 испытаний). При значительной неоднороднос ти оснований не всегда можно обеспечить получение доста точно надежной статистической обработки.

Для расширения статистики и более полного опро бования массива применяются прессиометрические испытания в скважинах малого или большого диаметра. Эти опыты проще, дешевле и требуют меньших за трат времени. Дают менее надежные результаты при использовании скважин малого диаметра. Расчет оснований по деформациям выполняется с использованием нормативного значения модуля общей деформации. Статистическая обработка опытных данных сво дится к вычислению средних значений этого показа теля (иногда по нижнему одностороннему довери тельному пределу при а = 0, 95).

Акустические методы и их применение Акустические методы позволяют опреде лить скорости продольных и поперечных волн и строить регрессионные зависимости Е 0 = f (Vp. Vs). Если проверка покажет высо кую тесноту связи (коэффициент корреляции не ниже 0, 8), эту зависимость можно исполь зовать для определения нормативных значе ний Е 0 по средним значениям скоростей упругих волн.

Об осадках и конечных значениях их величин Конечная величина осадки плотин зависит от: механических свойств скальных пород; структурных особенностей скального массива; наличия в основании зон тектонических нарушений, круп ных трещин, плотности мелкой трещиноватости, степени раскрытости трещин; прочности скальных выступов; состава и механических свойств заполнителя и пр. Общая величина осадки скальных оснований даже под высокими гравитационными плотинами редко превышает 10 -15 см.

Если основание однородно и осадка равномерна, она в большинстве случаев не представляет опасности для сооружения. Поэтому повышенная деформируемость основания не может явиться противопоказанием для строительства гравитаци онной или контрфорсной плотины. Исследованиями установлено, что относительно низкие значения модуля деформации основания приводят к более благоприятному распределению напряжений в теле плотины и в основании. Это вызывает также уменьшение величины глав ных растягивающих напряжений у напорной грани плотины с переходом их в сжимающие. [ «Ме тодические. . » 1978].

Примеры строительства и эксплуатации высоких гравитационных и контрфорсных плотин на низкомодульных основаниях Гравитационная плотину Раппбоде высотой 105 м. Среднее значение модуля общей деформации основания 800 МПа. Контрфорсная плотина Байна Башта (Югославия) высотой 90 м, с модулем деформации основания 300 МПа и др. Осадка основания плотин сопровождается закрытием трещин, обжатием содержащегося в них заполнителя и резким уменьшением водопроницаемости пород, по некоторым данным в 100 и даже 1000 раз. В связи с неравномерным распределением напряжений в основании плотины уменьшение водопроницаемости особенно велико у низовой грани. Это может иметь неблагоприятные последствия для устойчивости сооружения [ «Методические рекомендации. . . » , 1978].

Наибольшую опасность представляет неравномерность осадки. Это может быть, вызвано неодно родностью основания или влиянием нагрузки от заполняемого водохранилища. В период строительства плотины Братской ГЭС, возведенной на весьма прочных и слабосжимаемых диабазах, наблюдались весьма незначительные деформации основания. Однако, при заполнении водохранилища они значительно возросли. Выявилась прямая зависимость между величиной осадок и отметкой уровня воды в водохранилище.

Эпюра осадок имела форму вогнутой кривой с наибольшей стрелой прогиба 72 мм. В сторону левого примыкания осадка уменьшалась до 45 мм, в сторону правого до 52 мм. Максимальная осадка наблюдалась у напорной грани плотины, минимальная - у низовой. В направлении нижнего бьефа осадка быстро уменьшалась и составила в 350 м от плотины 9, 5 мм, на расстоянии 2 км 2, 3 мм. Прогиб основания привел к разуплотнению и увеличению водопро ницаемости верхней части толщи диабазов, особенно у напорной грани плотины. Осмотр стенок скважин показал, что в контактной зоне плотина-основание образовались трещины, распространяющиеся и на прилегающие части скалы и тела плотины. Разуплотнение было подтверждено результатами ультразвуко вых исследований. Разуплотнение диабазов практически не повли яло на общую водопроницаемость основания плотины в связи с несквозным характером образовавшихся трещин. Под некоторыми секциями плотины отмечен рост противодавления, что потребо вало дополнительной цементации основания.

Горизонтальные деформации скального основания. Эти деформации вызваны совмест ным воздействием нормальных и тангенциаль ных напряжений. Они объединяют различные по природе физи ческие процессы. Наиболее существенными из них являются закрытие субвертикальных тре щин и смещения по субгоризонтальным. И в том, и в другом случаях наблюдается раз рушение скальных уступов на поверхности трещин, растягивающиееся на длительный пе риод времени (псевдоползучесть).

АРОЧНЫЕ ПЛОТИНЫ

АРОЧНЫЕ ПЛОТИНЫ работают на распор. Основную часть усилий (до 10 МПа). передается на береговые упоры. Из за наличия крупных трещин, мелкой трещиноватостью или дру гих поверхностей ослабления, создается опасность сдвига плотины с частью береговых упоров в сторону нижнего бьефа. Их Устойчивость арочных плотин оценивается путем расчета на сдвиг блоков пород, слагающих береговые примыкания, по некоторой системе неблагоприятно ориентированных поверх ностей (в том числе мелких трещин, разделенных «мостиками» монолитной породы). При проектировании арочных плотин требуется: тщательный и полный анализ трещинной тектоники; . оценка сил воздействия фильтрационного потока в условиях неоднородности и анизотропии скального массива по водопроницаемости учет влияния дренажных и противофильтрационных устройств и обжимающего воздействия дополнительных