Рекомендации по лабораторному физическому моделированию карстовых процессов

Рекомендации

по лабораторному

физическому

моделированию

карстовых

процессов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................

1.    Общие положения.............................

2.    Основные принципы лабораторного физического моделирования карстовых процессов........................

Моделирование процессов растворения карстующихся пород .....................................

Моделирование карстово-обвальных процессов.........

Моделирование карстово-суффозионных процессов......

3.    Экспериментальное оборудование................. .

Оборудование для лабораторного изучения скорости растворения карстующихся пород....................

Оборудование для моделирования карстово-обвальных процессов методом эквивалентных материалов...........

Оборудование для лоткового моделирования карстово-суффозионных процессов.......................

4.    Методика лабораторного физического моделирования карстовых процессов.................................

Методика лабораторного хим и ко-кинетического моделирования процессов растворения карстующихся пород.......

Методика моделирования карстово-обвальных процессов на

эквивалентных материалах......................

Методика моделирования карстово-суффозионных процессов

на установке системы В.П.Хоменко.................

Приложение 1. Основные буквенные обозначения...........

Приложение 2. Журнал исходных данных для моделирования процессов растворения карстующихся пород................

Приложение 3. Журнал результатов наблюдений за ходом растворения карстующихся пород........................

Приложение 4. Пример оценки скорости роста карстовой полости по результатам химико-кинетического моделирования процессов

растворения карстующихся пород....................

Приложение 5. Журнал результатов пробных определений свойств

эквивалентного материала.........................

Приложение 6. Журнал исходных данных для моделирования карстово-обвальных процессов .......................

Приложение 7. Журнал результатов наблюдений за ходом карстово-обвальных процессов ..........................

Приложение 8. Пример определения начального диаметра карсто-ро-обвалыюго провала по результатам моделирования на эквивалентных материалах............................

Приложение 9. Журнал результатов определения коэффициента

фильтрации материала модели.......................

Приложение 10. Журнал исходных данных для моделирования

карстово-суффозионных процессов ...................

Приложение 11. Журнал результатов наблюдений за ходом карстово-суффозионных процессов........................

Приложение 12. Пример определения величины критического снижения пьезометрического напора трещинно-карстовых вод по результатам моделирования на установке системы В.П.Хоменко .....................................

2.11. При движении растворителя в щели все вышеперечисленные критерии, кроме критерия Прандтля, принимают следующий вид-

M = KA/.%=KdM/qw,	(13)
R«eq#/Vq/i,,	(14)
Р dw “ ’	(15)
Ho=t*q= Wd* •	(16)
Pe = q/v/D/v=	(17)

2.12. Величины кинематической вязкости растворителя и коэффициента диффузии растворяемого вещества необходимо определять путем постановки специальных экспериментов. Допускается использование значений этих величин, приводимых в справочной литературе. Величины кинематической вязкости воды различней температуры и коэффициента диффузии гипса при растворении его в воде приведены в табл. 2.

Таблица 2

емпература воды, °C Кинематическая вязкость воды, 10'6 м^/с Коэффициент диффузии гипса, 10-Ю м^/с 7 1,45 3,5 10 1,30 3,8 20 1,01 5,0

2.13.    Коэффициент скорости растворения определяется в условиях моделирования по формуле.

К*гД0_7р/ Д1(С_Н- С,).    (18)

Коэффициент скорости растворения в натурных условиях К_ы находится по формуле

^K/v^=MV^d/y^=MlV    09)

Значение числа (критерия) Маргулиса определяется в ходе экспериментов.

2.14.    Результаты химико-кинетического моделирования можно переносить на процессы, "происходящие в натуре, при соблюдении:

2-1166

Песчаные породы воспроизводятся на моделях с соблюдением только одного критерия подобия, представленного формулой

2.17. В том случае, когда на модели воспроизводится многослойная толщина горных пород, для всех слоев модели должно соблюдаться условие

у / 7    =    COnSt.

2.18. При моделировании карстово-обвальных процессов на эквивалентных материалах, как правило, не учитывается фактор времени. В качестве приближенного расчета допускается перенос времени с модели на натуру t_k в соответствии с формулой

(25)

2.19. В случае когда размеры модели не позволяют воспроизводить в заданном масштабе всю толщу покрывающих пород, а размеры воспроизводимых разрушений не превышают размеров модели и сами разрушения не выходят на поверхность земли, допускается имитация вышележащей неработающей толщи пород эквивалентной искусственной пригрузкой. Величина пригрузки Р должна подбираться по формуле

(26)

где i — номер слоя пород, имитируемых с помощью пригрузки, начиная с первого от поверхности.

2.20. При выборе материалов, предназначенных для имитации горных пород определенного типа, необходимо придерживаться соответствия эквивалентных материалов воспроизводимым породам по характеру деформируемости. В частности, не следует имитировать глинистые породы твердой консистенции пластичными материалами, глинистые породы пластичной и текучей консистенций — несцементированными зернистыми или сцементированными хрупкими материалами и т.д., даже при формальном соблюдении подобия физико-механических свойств, согласно требованиям п. 2.16 настоящих Рекомендаций.

Отклонение от этого правила допускается только при мелких линейных масштабах моделирования, когда необходимо учитывать псевдоппастические свойства пород, проявляющиеся в крупных массивах.

11

Моделирование карстово-суффозионных процессов

2.21.    С помощью лабораторного физического моделирования карстово-суффозионных процессов осуществляются:

оценка степени опасности естественных и искусственных изменений гидродинамической обстановки на закарстованных территориях;

оценка эффективности противокарстовых мероприятий, направленных на изменение фильтрационно-гидродинамического режима подземных вод;

прогнозирование размеров поверхностных и подземных кар-стопроявлений, вызванных гидродинамическими и гравитационно-гидродинамическими разрушениями.

2.22.    Метод физического гидрогеологического (лоткового) моделирования, с помощью которого осуществляется лабораторная имитация карстово-суффозионных процессов, основан на использовании специальных гидравлических установок (грунтовых лотков), заполняемых водопроницаемым зернистым материалом и воспроизводящих в уменьшенном масштабе область фильтрации подземных вод. При этом фильтрационно-гидродинамические параметры натуры и модели должны быть связаны между собой соотношением

*/V    ~^N    ‘    (27)

Если в качестве материала модели используются породы натуры, а фильтрующиейся жидкостью служит вода приблизительно той же температуры и химического состава, что и в натурных условиях, критерий подобия будет выражаться формулой

; t = 7 f    (28)

Если в задачи эксперимента не входит учет фактора времени, основным условием моделирования остается геометрическое подобие модели натурному объекту.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Экспериментальное оборудование, предназначенное для Проведения лабораторного физического моделирования, должно включать:

экспериментальную установку, в ходе работы которой непосредственно воспроизводится изучаемый процесс;

измерительные системы, служащие для контроля за ходом эксперимента и замера его необходимых параметров;

12

вспомогательное оборудование, предназначенное для подготовки материалов модели и их размещения в экспериментальной установке.

3.2.    Экспериментальные установки, предназначенные для лабораторного физического моделирования карстовых процессов, могут иметь различную конструкцию в зависимости от характера решаемых задач и от особенностей природной обстановки, воспроизводимой на моделях. Экспериментальные установки, описание которых приводится в настоящих Рекомендациях, предназначены для решения широкого круга инженерно-геологических задач.

3.3.    В настоящих рекомендациях приводятся описания предельно упрощенных вариантов конструкций необходимых экспериментальных установок. Допускаются уточнения и дополнения конструкций рекомендуемых установок, направленные на повышение точности эксперимента и расширение возможностей данного вида моделирования.

3.4.    В связи с недостаточной изученностью механизма карстово-обвальных и карстово-суффозионных процессов их лабораторное моделирование, как правило, следует осуществлять на "плоских” экспериментальных установках, которые дают возможность прямого наблюдения и фиксации общей картины протекания имитируемых карстовых разрушений. Объемные модели и соответствующие экспериментальные установки имеют ряд преимуществ перед "плоскими” в отношении более полного соответствия природным условиям. Однако практика "плоского” лабораторного физического моделирования показывает, что оно вполне приемлемо с точки зерния точности эксперимента при всестороннем учете возникающих в ходе опыта специфических погрешностей.

3.5.    В настоящих Рекомендациях рассматриваются только простейшие измерительные системы и вспомогательное оборудование, отсутствие которых делает невозможным проведение эксперимента. Системы фиксации общей картины развития моделируемых процессов в настоящих Рекомендациях нс рассматриваются.

Оборудование для лабораторного изучения скорости растворения карстующихся пород

3.6. Лабораторное физическое моделирование процессов растворения карстующихся пород рекомендуется проводить на экспериментальной установке, конструкция которой представлена на рис. 1. С помощью установки имитируется процесс растворения стенок вертикальных трещин и полостей при нисходящем

13

Рис. 1. Экспериментальная установка для изучения скорости растворения карстую-щихся пород(вид спереди с частичным вырезом стенки рабочего цилиндра)

I - обойма; 2 - рабочий цилиндр; 3 - соединительный шланг; 4 - выпускной штуцер; 5 - растворитель; 6 -направляющая стойка; 7 -система подачи растворителя; 8 - напорный бак; 9 - регулируемый зажим; 10 - запа-рафинированный    образец

растворяемого    вещества;

11 - приемный сосуд; 12 -выпускной шланг

движении подземных вод. При внесении незначительных конструктивных изменений установка может воспроизводить процессы растворения при иной пространственной ориентации трещин и направления подземного потока.

3.7.    Установка состоит из обоймы с закрепленными в ней шестью рабочими цилиндрами, в которые помещаются образцы горных породили эквивалентных растворяемых веществ. Каждый рабочий цилиндр снабжен набором металлических пластин различной длины и толщины, служащих для компоновки образцов. На вертикальных направляющих стойках закреплены два перемещаемых напорных бака, оснащенных системами подачи растворителя, выпускными штуцерами и соединительными резиновыми шлангами, посредством которых растворитель из напорных баков подается на образцы. Под каждым рабочим цилиндром расположен приемный сосуд, соединенный с рабочим цилиндром выпускным шлангом. Соединительные и выпускные шланги установки снабжены регулируемыми зажимами. Установка может иметь более шести рабочих цилиндров и более двух напорных баков.

3.8.    В качестве измерительных приборов используются:

электрический солемер типа реохордного моста 1‘-38, предварительно тарированный по результатам химических анализов растворов разной концентрации и температуры, служащий для замера концентрации в воде растворенных солей;

штангенциркуль и щелемер для измерения ширины щели, а также линейка для измерения размеров образцов;

14

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИИИС) ГОССТРОЯ СССР

Рекомендации

по лабораторному

физическому

моделированию

карстовых

процессов

Москва Сгройизд&т 1984

УДК 624.131.37:551.442

Рекомендованы к изданию инженерно-геологической секцией Научно-технического совета ПНИ И ИС Госстроя СССР.

Рекомендации по лабораторному физическому моделированию карстовых процессов / ПНИИИС Госстроя СССР. — М.: Стройиздат, 1984. —    48    с.

Рассмотрены основные принципы, методика и технология лабораторного физического моделирования карстовых процессов. Дано описание конструкций экспериментальных установок и приемов работы с ними, рассмотрены природные условия, которые могут воспроизводиться с их помощью, указаны основные критерии подобия, которые должны соблюдаться при моделировании. Приведены примеры решения некоторых задач, связанных с оценкой кар-стоопасности на основе лабораторного физического моделирования карстовых процессов.

Для инженерно-технических работников проектных, изыскательских и научно-исследовательских организаций.

Рис. 14, табл. 11.

3202000000 - 359 р ~Q47 (0|У—84----Инструкт.-нормат., 1 вып. -63-64

ВВЕДЕНИЕ

Карстовые процессы широко распространены в СССР. Наибольшую опасность для промышленного, гражданского и транспортного строительства представляют собой различные поверхностные и подземные карстопроявления и, в первую очередь, провалы. Это вызывает необходимость дальнейшего совершенствования противокарстовых защитных мероприятий, которые нс могут осуществляться без надлежащего инженерно-геологического обоснования.

Инженерно-геологическое обоснование противокарстовой защиты базируется на материалах, получаемых в процессе инженерных изысканий в карстовых районах, и включает в себя, в первую очередь, оценку устойчивости закарстованных территорий и отдельных площадок. В определенных условиях такая оценка может быть получена только на основе физического моделирования карстовых процессов. В ряде случаев даже при возможности использования других способов оценки карстоопас-ности они уступают по качеству результата методу физического моделирования.

Кроме определенных достоинств, присущих методу моделирования с точки зрения точности прогноза и возможностей адекватного воспроизводства натуры, этот метод незаменим при изучении механизма карстовых процессов, как правило, скрытых от прямого наблюдения.

Максимальное соответствие модели геологического процесса его реальному прототипу достигается в ходе натурного эксперимента. Однако в силу сложности и недостаточной разработанности методики экспериментального воспроизведения карстовых процессов в натуре в настоящее время более доступным является применение лабораторного эксперимента в качестве одного из методов оценки карстоопасности. Лабораторное физическое моделирование карстовых процессов (за исключением дорогостоящего центробежного моделирования) может успешно применяться в изыскательских организациях, о чем свидетельствует положительный опыт треста ЗапУралТИСИЗ Госстроя РСФСР.

Предлагаемые Рекомендации составлены на основе многолетнего опыта экспериментального лабораторного изучения карстовых процессов в ПНИИИС Госстроя СССР. При моделировании карстово-обвальных и карстово-суффозионных процессов в

3

ПНИИИС использовались ’’плоские” экспериментальные установки, применение которых значительно упрощает проблему наблюдения и фиксации имитируемых деформаций. В настоящее время в Союздорнии Минтрансстроя в ходе научных исследований, посвященных изучению механизма карстовообвальных процессов, успешно применяется установка объемного моделирования. Использование объемных моделей значительно повышает точность эксперимента и позволяет достигать большего соответствия натурным условиям.

Главная цель предлагаемых Рекомендаций заключается в повышении научно-технического уровня оценки карстоопасности при инженерно-геологических изысканиях на закарстованных территориях и, в конечном счете, в повышении надежности промышленного, гражданского и транспортного строительства в особо сложных природных условиях. Рекомендации содержат требования, вполне доступные для реализации силами и средствами изыскательских организаций и отдельных изыскательских подразделений, обладающих лабораторной базой.

Рекомендации составлены ПНИИИС Госстроя СССР (канд. геол.-минерал, наук В.П.Хоменко при участии канд.техн.наук В.В.Толмачева и геолога Р.Б.Давыдько).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие Рекомендации распространяются на инженерно-геологические изыскания для промышленного, гражданского и транспортного строительства в карстовых районах и являются первым опытом разработки руководящего методического документа по лабораторному физическому моделированию карстовых процессов.

1.2.    Лабораторное физическое моделирование карстовых процессов служит для оценки карстоопасности. Его рекомендуется применять:

при инженерных изысканиях для строительства особо ответственных сооружений в сочетании с другими методами оценки карстоопасности;

в сложной природной обстановке, затрудняющей применение расчетно-теоретических методов оценки карстоопасности (наличие сложной трещиноватости, многослойность грунтовой толщи, плохая изученность механизма карстовых процессов и т.п.);

в условиях,затрудняющих применение вероятностно-статистических методов эЦенки карстоопасности (отсутствие представительных данных для статистической обработки, необходимость оценки ожидаемой карстоопасности при ее отсутствии в настоящее время и т.д.).

Лабораторное физическое моделирование не следует применять в качестве метода оценки карстоопасности в особо сложной природной обстановке, когда соблюдение всех необходимых критериев подобия становится крайне затруднительным или невозможным.

1.3.    Карстовые процессы, протекающие в условиях покрытого карста на равнинных территориях, разделяются на:

процессы, протекающие в карстующихся породах (химическое и механическое разрушение самих карстующихся пород или заполнителя полостей и трещин в карстующихся породах);

процессы, протекающие в некарстующихся покрывающих породах (гравитационное и гидродинамическое разрушение покрывающих пород).

1.4.    В настоящих Рекомендациях излагаются принципы и методы лабораторного физического моделирования процессов:

растворения некарбонатных карстующихся пород;

гравитационного разрушения карстующихся и покрывающих пород (карстово-обвальных процессов);

5

гидродинамического и гравитационно-гидродинамического разрушения покрывающих пород (карстово-суффозионных процессов).

1.5.    Методика планирования эксперимента, выявления и оценки экспериментальных ошибок и неопределенностей, анализа и интерпретации результатов моделирования в настоящих Рекомендациях не рассматривается.

1.6.    Для удобства пользования настоящими Рекомендациями все условные буквенные обозначения, применяемые в формулах, расшифрованы в прил. 1.

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЛАБОРАТОРНОГО ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

2.1.    Принципы и методы одновременного воспроизведения на одной модели процессов растворения карсгукнцихся пород, карстово-обвальных и карстово-суффозионных процессов или любой пары перечисленных процессов разработаны недостаточно и настоящими Рекомендациями не рассматриваются.

2.2.    Процессы растворения карстукнцихся пород следует воспроизводить путем химико-кинетического моделирования, карстово-обвальные процессы — путем моделирования на эквивалентных материалах, карстово-суффозионные — путем физического гидрогеологического (лоткового) моделирования.

2.3.    Основные принципы химико-кинетического моделирования разработаны в физической химии, моделирования на эквивалентных материалах - в горном деле, лоткового моделирования — в практической гидрогеологии. В настоящих Рекомендациях рассматривается конкретное приложение этих принципов к моделированию карстовых процессов.

Моделирование процессов растворения карстующихся пород

2.4.    С помощью лабораторного физического моделирования процессов растворения карстующихся пород осуществляются:

определение скорости растворения карстующихся пород в естественных условиях и под действием техногенных факторов, в том числе в основании зданий и сооружений;

оценка эффективности противокарстовых мероприятий, направленных на изменение гидрогеохимического режима подземных вод;

определение длины пути насыщения подземных вод;

оценка скорости расширения трещин и полостей.

6

2.5.    Карстунпциеся породы по механизму их растворения подземными водами разделяются на диффузионно растворимые и недиффузионно растворимые. К диффузионно растворимым породам относятся сульфатные (ангидриты, гипсы), хлоридные (каменные соли) и некоторые другие. К недиффузионно растворимым — карбонатные породы (доломиты, известняки, ме-лы).

2.6.    Методика лабораторного моделирования растворения недиффузионно растворимых пород для инженерно-геологических целей разработана недостаточно и в настоящих Рекомендациях не рассматривается.

2.7.    Процесс диффузионного растворения определяется следующим условием:

KS_P(C_H-C„).

2.8. В условиях движения растворителя в щели скорость ее расширения р в сечении, расположенном на расстоянии х от входного отверстия, определяется формулой:

р_х= 2 К(С_Н—С_ж)/Tf_p ,

2.9.    Отличительными признаками диффузионного растворения являются зависимость скорости растворения от скорости и направления движения растворителя и незначительная зависимость растворимости от давления и температуры растворителя. Растворимость диффузионно растворимого вещества зависит от его химического состава и от химического состава растворителя. Она определяется экспериментально или путем расчетов (Рекомендации по инженерно-геологическим изысканиям и оценке территорий для промышленного и гражданского строительства в карстовых районах СССР. М., ПНИИИС Госстроя СССР, 1967).

2.10.    Коэффициент скорости растворения зависит от химического состава и структуры растворяемого вещества, скорости движения растворителя и пространственной ориентации поверхности растворения. Значение коэффициента скорости растворения, как правило, следует определять экспериментально, используя следующие критерии подобия:

критерий Маргулиса

M =    =K„/V„,

критерий Рейнольдса

(4)

критерий Фурье

^{F = D}«Vl^J*^=IW    (5)

критерий гомохронности

^H° = W    (6)

критерий Пекле

^{Pe =} WD* = W^DA,>    (^?)

критерий Прандтля

В ходе химико-кинетического моделирования, с помощью которого в лабораторных условиях воспроизводятся процессы растворения карстующихся пород подземными водами, в зависимости от условий моделирования должны определяться отношения между критериями подобия, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Специально подобранный Специально подобран- М=А (F)^e (Hqf (Re эквивалентный материал (d_m>d_n)

Вещество одного состава с карстующейся породой, но иной структу-ры (D"^DJ Карстуюшаяся порода натуры (D" = D_n)

Примечание. Формулы (9) -(12) справедливы только при ламинарном движении воды. Содержащиеся в формулах безразмерные эмпирические коэффициенты А, е, f, g определяются экспериментально.

8