П-771-82
Руководство по инженерно-геологическим изысканиям для строительства подземных гидротехнических сооружений

РУКОВОДСТВО

по инженерногеологическим изысканиям для строительства подземных гидротехнических сооружений

П-771В2

ГИДРОПРОЕКТ

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

Министерство энергетики и электрификации СССР Г лавниипроект

Всесоюзный ордена Ленина проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт Гидропроект имени С. Я. Жука

РУКОВОДСТВО ПО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ИЗЫСКАНИЯМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

П-771-82

Гидропроект

Москва Энергоатомиздат 1984

к простиранию пластов и основных тектонических нарушений. В этих случаях обычно наблюдается более частое чередование различных инженерно-геологических условий, но при встрече неблагоприятных участков пласты пересекаются по кратчайшему расстоянию.

При прохождении туннелей по простиранию или под острыми углами к направлению простирания пород и основных тектонических нарушений чаще всего возникают неблагоприятные условия. При выборе трассы в этих условиях следует обращать особое внимание на то, чтобы туннель не прошел по наиболее слабым пластам или не совпал с зоной крупного тектонического нарушения. При оценке устойчивости стен и свода подземной выработки в зависимости от угла встречи трассы с простиранием пород и тектонических зон необходимо учитывать также угол падения, прочность, характер трещиноватости и ряд других факторов.

Разведочные работы. С помощью разведочных выработок уточняют геологическое строение, устанавливают физико-механические свойства и водопроницаемость пород, геотермические условия и газоносность. По трассам туннелей и на участках расположения подземных камер проходят глубокие буровые скважины, а на участках неглубокого заложения сооружений - горные выработки. Применение разведочных работ ограничено трудной доступностью горной местности и большой глубиной заложения сооружений. Поэтому назначать их необходимо весьма обоснованно, с учетом условий выполнения работ.

Основную часть разведочных выработок закладывают на наиболее выжных и сложных в инженерно-геологическом отношении участках. К их числу относятся: портальные участки туннелей на склонах с мощными поверхностными отложениями; участки развития слабых и недостаточно устойчивых горных пород; контакты и зоны тектонических нарушений; участки развития оползней, карста, пород с повышенной водоносностью: участки неглубокого заложения туннелей, прохождения их под современными и погребенными эрозионными понижениями рельефа.

Горные разведочные выработки (шурфы, шахты, смотровые скважины, штольни) дают наиболее полную и объективную информацию о геологическом строении, однако применение их ограничено большой стоимостью горных работ, которая резко возрастает с увеличением глубины выработки. Поэтому их обычно проходят только на порталах туннелей и в местах заложения различных подземных камер для вскрытия отдельных контактов и зон ослабления пород, залегающих на относительно небольшой глубине.

Для разведки трасс туннелей и участков других подземных сооружений глубокого заложения проходят буровые скважины. Разведочные скважины, закладываемые на трассе выбранного варианта туннеля, должны быть на 10 м глубже отметки его подошвы, но глубина скважин обычно не должна превышать 300 м, так как более глубокое бурение малоэффективно и сложно по организации в горных условиях. Бурение по трассе туннеля скважин глубиной более 300 м должно быть обосновано особыми геологическими условиями или проектно-техническими соображениями: необходимостью выявить крупные тектонические нарушения и другие важные контакты и зоны, установить геотермические условия и газоносность пород идр.

11

По осям проектируемых строительных шахт и камер подземных зданий ГЭС и ГАЭС скважины проходят на всю глубину заложения этих сооружений. В целях получения наиболее полной информации разведочные скважины надо проходить в скальных породах колонковым способом и контролировать их отклонение от заданного направления.

Геофизические методы разведки применяют для изучения геологического строения и физико-механических свойств пород в массиве. С помощью этих методов могут быть выявлены контакты и тектонические зоны, границы распространения пород, резко отличающихся по физическим свойствам. Наиболее успешно эти методы используют на трассах туннелей и участках подземных сооружений малой и средней I лубины заложения. По трассам туннелей и других сооружений глубокого заложения, а также при сильной изрезанности местности поверхностные методы геофизической разведки, как правило, имеют ограниченное применение и часто не дают желаемых результатов. В этих случаях находят применение главным образом различные скважинные методы (сейсмический, ультразвуковой, электрический и термический каротаж), которые дают возможность определить некоторые физико-механические показатели пород (степень сохранности, деформационные свойства и др.), а также геотермические условия.

3. ИЗУЧЕНИЕ ЕИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Задачи и методы. Гидрогеологические наблюдения и исследования, выполняемые при инженерно-геологических изысканиях на различных стадиях и этапах проектирования подземных гидротехнических сооружений, должны дать материал, необходимый для характеристики общих гидрогеологических условий и установления параметров отдельных водоносных горизонтов.

Изучение гидрогеологических условий на каждой стадии (этапе) проектирования должно давать достаточный материал для прогноза возможных притоков вод в подземные выработки, определения гидростатических напоров подземных вод, действующих на обделку сооружений, и оценки агрессивности вод по отношению к бетону.

Основными вопросами, которые должны быть освещены при характеристике гидрогеологических условий, являются:

стратиграфическое положение, литологический состав, условия залегания водовмещающих и водоупорных пород;

гидравлические типы основных водоносных горизонтов, их распространение и мощность;

условия питания и дренирования водоносных горизонтов, положение уровней и режим подземных вод;

водопроницаемость и водообильность пород; химический состав и агрессивность подземных вод.

Большая часть перечисленных вопросов решается в комплексе с другими вопросами инженерно-геологических изысканий в ходе выполнения инженерно-геологических съемок, разведочных работ по трассам и участкам расположения основных сооружений Для более подробного изучения гидрогеологических условий можно выполнять гидрогеоло] ическую съемку, бурение скважин, наблюдения за режимом подземных вод и некоторые специальные исследования: изучение направления и деист вшельных скоростей движения подземного потока, выявление карстовых полостей, путей движения сосредоточенных подземных потоков.

По [рассам напорных деривационных 1уннслей и на участках других подземных сооружений l водонепроницаемой облицовкой, которые Moiyi подвер! а i ься мотает. I вию больших ест 1 ненны х I идросгат ичес ких напоров, на ранних падин х

изысканий должны быть установлены уровни подземных вод. На стадии проекта необходимо изучать режим подземных вод путем наблюдений в буровых скважинах, на источниках ит. п. На стадии рабочей документации наблюдения за режимом подземных вод должны быть продолжены.

Для изучения водообильности и водопроницаемости пород во всех разведочных выработках на стадии проекта выполняют опытно-фильтрационные работы: наливы, нагнетания и откачки воды. При наличии разведочных горных выработок может быть использован как дополнительный метод определения водопроницаемости по параметрам трещиноватости, основные положения которого изложены в [17].

Опытные наливы и нагнетания обычно проводят на отметках заложения подземных выработок как в обводненных, так и в необводненных породах. Откачки проводят при залегании уровня воды не глубже 100 м, так как при большей глубине они малоэффективны и трудны.

По результатам опытных работ определяют водопроницаемость пород вокруг выработки и рассчитывают фильтрацию из туннеля или приток воды в выработку, а также оценивают возможность и условия выполнения инъекционного уплотнения пород.

Опытно-фильтрационные работы следует производить в соответствии с действующими руководствами [22-27] и ГОСТ 232778-78 „Грунты, методы полевых испытаний проницаемости”.

Прогноз притока воды в подземные выработки является весьма сложной задачей. Это обусловлено трудностью учета всего многообразия и непостоянства отдельных факторов, определяющих гидрогеологические условия, особенно при наличии трещинных и карстовых вод и в районах с несколькими взаимодействующими водоносными горизонтами. Наибольшую трудность представляет прогноз притоков трещинно-напорных вод, приуроченных к зонам тектонических нирушений, и карстовых вод. С этими водами при проходке подземных выработок часто бывают связаны большие притоки, а иногда и внезапные прорывы вод, дебит которых в начальный период может достигать нескольких сотен литров в секунду, но затем он обычно уменьшается.

В зависимости от конкретных гидрогеологических условий и наличия соответствующих исходных данных для определения ожидаемого притока подземных вод в горные выработки пользуются следующими основными методами: аналитическим, гидрогеологических аналогий, водного баланса и моделирования.

При прогнозе притока воды аналитическим методом принимают, что в области фильтрации действует линейный закон сопротивления движению подземных вод (закон Дарси) даже при больших понижениях уровня и приуроченности этих вод к трещиноватым закарстованным породам. Движение подземных вод по нелинейному закону сопротивления может возникать в редких случаях лишь в непосредственной близости от подземных выработок.

Аналитический метод используют, когда геологические и гидрогеологические условия, определяющие характер и размеры притоков воды, могут быть сведены к типовым расчетным схемам. Эти схемы предопределяют простейшую геометрическую конфигурацию области фильтрации в плане, однородность и изотропность расчетной водоносной толщи, отсутствие дополнительного питания водоносного горизонта по площади, горизонтальное залегание водоупора (для безнапорных горизонтов), линейность процесса фильтрации, совершенство границ области фильтрации (ограничение ее водоупорными породами), соблюдение на них простейших граничных условий.

Типовым расчетным схемам по конфигурации границ пласта в плане отвечают неограниченный водоносный пласт (в течение расчетного времени влияние границ пласта не сказывается на режиме фильтрации) и водоносные пласты с фиксированными внешними контурами простейшей геометрической формы (полуограниченный

пласт, пласт-полоса, круговой пласт). Внутренние границы области фильтрации определяются расположением и формой подземной выработки. Простейшим гра-П1ЧНЫМ условиям на внешних и внутренних границах области фильтрации отвечают:

а)    граничные условия первого рода, когда задано определенное значение напора, которое чаще всего принимают постоянным по всей границе и неизменным во времени (например, река или водоем с незакольматированным руслом):

б)    граничное условие второго рода, когда на границе области фильтрации задан расход потока, в частном случае этот расход равен нулю.

При схематизации гидрогеологических условий для расчета притоков воды аналитическим методом неоднородные слоистые в профиле толщи пород и неоднородные в плане массивы пород, отдельные слои или участки которых отличаются по водопроницаемости менее чем в 10 раз, могут быть приведены к однородным со средним коэффициентом фильтрации, который для слоистой толщи при движении подземных вод вдоль пластов определяют по формуле

_{к =} XlPl^+K2Pz⁺-™nPn    _(?]

^ср PS р₂⁺ —⁺ Р_п

где А^-!, /£*2,    -    К_п    - коэффициенты фильтрации отдельных слоев или участков

массива, м/сут; Wj,    -    мощности отдельных слоев, м; рр2, . . р_п -

площади отдельных участков массива, характеризующихся различными коэффициентами фильтрации A"j, /Гз, . . ., К_п.

В случае резкого различия водопроницаемости отдельных слоев или участков массива (более чем в 10 раз) расчет притоков воды в подземные выработки производится для каждого слоя или участка массива в отдельности. При этом движением подземных вод в слабопроницаемых слоях (на слабопроницаемых участках) можно пренебречь, приняв эти слои (участки массива) за относительный водоупор.

Для оценки притоков воды используют наиболее простые расчетные зависимости стационарной фильтрации, учитывающие гидравлический характер и основные гидрогеологические параметры водоносных пластов, глубину заложения и форму выработок и их расстояние до границ питания и естественного дренажа, а если эти границы отдалены (схема неограниченного пласта), - радиус влияния, т. е. расстояние от выработки до условного контура фильтрации.

Для определения притока воды в шахты и шахтные стволы с системой горизонтальных выработок обычно используют расчетные зависимости притока воды к скважинам, в которых радиус скважины г заменяют радиусом шахты г _ш или приведенным радиусом „большого колодца” г q, сечение которого равновелико площади участка, занимаемого системой выработок, при условии, что отношение поперечных размеров последнего меньше 10.

При отношении поперечных размеров участка, занимаемого системой выработок, меньше 3 значение г ₀ вычисляют по формуле

г о=Ур/п ;    (з)

при отношении больше 3 - по формуле

г₀=Р/2п,    (4)

где F и Р соответственно площадь. м^:, и периметр, м. участка, занимаемого системой выработок.

где h - расстояние от подошвы выработки до непониженного уровня воды, м; В - длина выработки, м; b - ширина выработки, м; Т — расстояние от подошвы выработки до водоупора, м.

Рис. 11. Схема притока безнапорных вод к несовершенной горизонтальной выработке: а — при неглубоком залегании водоупора; б — при глубоком залегании водоупора

Приток безнапорных вод к горизонтальной выработке несовершенного типа при глубоком залегании водоупора (рис. 11, б) может быть определен по формуле А. Н. Костикова

2 аКН₄ ^

lgR-l.gr

где Нj - глубина погружения центра выработки в водоносной слой, м; а= 7г/2 + + И_ljR; г - радиус (или приведенный радиус) выработки, м.

Приток воды из безнапорного горизонта к горизонтальной выработке, расположенной на водоупоре параллельно водоему на расстоянии L_y может быть определен по формуле Дюпюи

^a^^B(ji⁺?) ’    м

где Н - превышение уреза воды в водоеме над водоупором, м; q — удельный расход грунтового потока до устройства выработки, определяемый обычными гидрогеологическими методами.

Эмпирические формулы для определения установившегося радиуса влияния горизонтальных выработок в условиях неограниченного пласта отсутствуют. Для ориентировочного расчета этого радиуса допускается использование приведенных зависимостей, справедливых для вертикальных водосборов.

При глубоком заложении горизонтальной выработки в зоне полного водонасы-щения большой мощности кривая депрессии подземных вод, особенно в слабоводопроницаемых породах, не опускается до отметок заложения выработки. Над ней образуется лишь незначительное понижение (прогиб) уровня подземных вод (рис. 12).

Рис. 12. Схема депрессионной поверхности подземных вод над горизонтальной выработкой глубокого заложения:

1    —    непониженный уровень подземных вод;

2    — пониженный уровень подземных вод; 3 —

плоскость отсчета напоров

Рис. 13. Схема внешних границ области фильтрации :

I — плоская граница области фильтрации; 2 — эквивалентная круговая граница области фильтрации; 3 — плоскость отсчета измерений

В практических расчетах можно пренебречь этим прогибом и считать верхнюю границу области фильтрации плоской, принимая напор

на слой постоянным. Это допущение приводит к практически незначительному завышению при

расчетах водопритоков в выработку. В связи с тем что выработка не может дренировать всю вышележащую толщу пород над ее сводом, приток в нее будет определяться фильтрационной способностью ее поверхности.

В соответствии с „Указаниями по проектированию дренажа подземных гидротехнических сооружений*’ приток воды в туннельную выработку в таких условиях может быть рассчитан по формуле, аналогичной формуле Дюпюи для притока воды к совершенной скважине в напорном пласте,

где R_e — 2t; t - расстояние от оси выработки до плоской границы области питания, м; Н «t - действующий напор, м; R - радиус выработки, м, при поперечном сечении выемки, отличном от кругового.

Расчетный радиус выработки определяется по формуле R — Р/Ът , гдсР - периметр поперечного сечения, м.

Это приближенное решение основывается на теоретических исследованиях, согласно которым для подземной выработки протяженностью В и глубиной заложения г, которые значительно превосходят ее поперечные размеры, взамен плоской границы области фильтрации с соответствующим напором на ней можно принять эквивалентную границу в виде соосного кругового цилиндра с радиусом R_& — 21 (рис. 13).

Метод гидрогеологических аналогай является приближенным, и обоснованность прогнозов этим методом определяется правильным выбором аналога. Аналогия должна быть п^л геологическому разрезу участков сооружений и условиям их обводненности. Метод целесообразно применять в сложных гидрогеологических условиях, когда их изучение для прогноза притоков воды гидродинамическим методом сопряжено с большими трудностями (определение расчетных параметров, граничных условий и т. д.). В первую очередь это относится к прогнозу притоков воды по зонам тектонических нарушений, пластам закарстованных карбонатных, гипсоное-ных и соленосных пород, на участках развития молодых лавовых потоков и покровов и т. п. Для приближенной оценки притоков воды в горные выработки, проходимые в сравнителыю простых гидрогеологических условиях, расчеты по методу аналогий могут базироваться на гидродинамических зависимостях. Так, оценку притоков воды в проектируемую шахту, которая отличается от шахты-аналога лишь значениями понижения в ней, можно провести по формуле, позволяющей учесть разницу в понижениях в безнапорных условиях

(20)

Составители: Л. А. Молоков, В. К. Разумов, И. С. Толоконников, Н. Н. Кондратьев

В Руководстве даны основные сведения, необходимые для организации и выполнения инженерно-геологических изысканий для строительства подземных гидротехнических сооружений. Описаны особенности методики изучения геологического строения, гидрогеологических условий, физико-механических свойств пород, физико-геологических явлений, температурных условий и газоносности недр. Приведены состав и объем изыскательских работ, которые надо выполнять на различных этапах и стадиях проектирования, а также в процессе строительства подземных гидротехнических сооружений.

Руководство рассчитано на инженеров и техников-геологов, работающих на изысканиях для гидротехнического строительства.

© Всесоюзный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт Гидропроект имени С. Я. Жука, 1984

i де Q_n и Q_y - соответственно прогнозный приток в проектную выработку и фактический приток в построенную выработку-аналог, м³/сут; Н_п и Н_э - мощность водоносного горизонта соотвстсвенно в проектной и построенной выработках, м; 5_П и 5_Э -■ понижения уровня воды соответственно в проектной и построенной выработках, м.

Использование для прогнозов притоков воды в подземные выработки балансового метода, основанного на учете всех составляющих питания и разгрузки подземных вод в условиях их отбора, весьма ограниченно в силу слабого дренирующего влияния этих сооружений, обусловленного их сравнительно небольшими размерами. Балансовый метод может быть применен лишь в условиях локального развития водоносных горизонтов (например, при пересечении подземными выработками закрытых и полузакрытых пластов) при наличии данных о количественных характеристиках питания и дренирования подземных вод.

Способы различного моделирования гидрогеологических условий для определения притока вод в подземные выработки применяются сравнительно редко, главным образом в тех случаях, когда объект исследования, являясь сложным в гидрогеологическом отношении, заслуживает особого внимания, а расчеты по другим методам не дают удовлетворительных результатов. Наиболее распространенным в практике исследований для гидротехнического строительства является метод моделирования, основанный на электрогидродинамических аналогиях (ЭГДА), который позволяет решать как плоские, так и пространственные задачи Расчеты притоков воды с помощью моделирования обычно выполняют специализированные подразделения йаучно-исследовагельских институтов и лабораторий.

Про1ноз гидростатического давления на обделку туннеля и оценка агрессивности подземных вод. Подземные гидротехнические сооружения часто строят значительно ниже уровня подземных вод или ложа водоема. В таких условиях для напорных туннелей, водоводов и других сооружений, выполняемых с бетонной или металлической обделкой, должен быть дан прогноз размеров гидростатического давления, воздействующего на обделку. При ожидаемом значительном давлении подземных вод на 01 метках заложения сооружений в проекте предусматривают усиление обделки в целях полного восприятия сю этого давления или мероприятия по уменьшению давления подземных вод общий или местный дренаж и др.

Значение возможного гидростатического давления на обделку туннеля определяется как разность абсолютных отметок уровня подземных вод (свободного или пьезометрического) и заложения туннеля. Прогнозная оценка гидростатического давления на обделку подземных сооружений должна базироваться на данных не только о положении уровней подземных вод, но и о водопроницаемости пород на отметках заложения сооружений. Необходимо установить границу, ниже которой породы являются практически водонепроницаемыми. Как показывает опыт строительства некоторых туннелей (деривационный туннель Шамбской ГЭС, туннель Арпа -Севан и др.), эта i раница на отдельных участках находится выше кровли подземных сооружений, поэтому проходка их на этих участках осуществлялась в нсобводненных породах. Пропюз возможности проявления гидростатического давления на участках проектируемых подземных сооружений надо давать с учетом положения этой границы по отношению к отметкам заложения подземных сооружений. Для ориентировочною определения положения границы практически водонепроницаемых пород следует использовать результаты всего комплекса изыскательских paGoi I еоло1 о-съемочны\. i еофизических, буровых и опытно-филырационных

Прогно з распределения и размеров i ид роста г ического давления, действую ще1 о на обделку, с учеюм работы дренажа может быть сделан достаточно правильно только с помощью исследований па пространственных моделях ЭГДА. В необходимых случаях такие исследования выполняют на стадии рабочей документации специализированные организации

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование гидротехнических сооружений в горных областях связано с решением сложных вопросов подземного строительства, которое весьма существенно зависит от инженерно-геологических условий. В целях повышения качества инженерно-геологического обоснования проектов подземных гидротехнических сооружений в 1978 г. институтом Гидропроект было выпущено „Руководство по Инженерно-геологическим изысканиям для строительства подземных гидротехнических сооружений” (П-655-77 / Гидропроект).

В настоящее время накоплен дополнительный опыт изысканий, проектирования И строительства крупных гидротехнических туннелей (Арпа—Севан и др.). В связи С этим возникла необходимость переработать и переиздать Руководство.

В настоящее его издание внесены следующие изменения и дополнения: переработано описание изучения гидрогеологических условий, физико-механических свойств пород, напряженного состояния массивов горных пород.

Руководство составлено применительно к наиболее часто встречающимся условиям строительства подземных гидротехнических сооружений. В нем отсутствует описание специальных исследований, которые следует проводить в особых условиях (в многолетнемерзлых породах, плывунах и др.). Эти исследования проводят по программам, составленным на основании Руководства и специальных пособий.

В Руководство внесены исправления и дополнения в соответствии с замечаниями: В. Е. Лаврова, В. М. Мосткова и О. П. Павлушиной (НИС Гидропроекта), Р. Р. Тиз-деля и Ю. Л. Фишмана (ОСО), В.З. Чечотаи А. В.КоЛичко (Средазпщропроект), Б. Д. Мальцева (Гидроспецпроект), Н.Ф. Новикова и А. А. Сорокина (Ленпздро-проект).

Руководство предназначено для инженеров и техников-геологов, занимающихся изысканиями для гидротехнического строительства.

Раздел I

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

I. ЗАДАЧИ ИЗЫСКАНИЙ

При I идротехническом строительстве возводят разнообразные по конструкции и назначению подземные сооружения: деривационные туннели гидроэлектростанций, камеры для машинных залов и трансформаторных подстанций ГЭС и ГАЭС, подземные бассейны ГАЭС, туннели и шахты водохозяйственного и транспортного назначения и др. (рис. 1).

По глубине заложения подземные сооружения различаются следующим образом: мелкого заложения - до 100. среднего - от 100 до 300. глубокого - более 300 м.

Рис. 1. Схема деривационной гидроэлектростанции с подземным машинным залом в начале деривации: / — головной узел; 2 — напорный туннель турбинного водовода; 3 — подземная камера машинного зала; 4 — безнапорный отводящий туннель; 5 — аэрационная шахта; 6 — строительная шахта; 7— проекция естественного русла реки

По протяженности различают туннели: короткие - до 1, средней длины - 1-5 и длинные более 5 км. По условиям работы туннели могут быть напорными и безнапорными По капитальности подземные гидротехнические сооружения делятся на четыре класса в соо!ветсгвии с СНиП 11-50-74.

При проектировании и строительстве подземных гидротехнических сооружений требуется плательное изучение и анализ инженерно-геологических условий для обоснования принимаемых проектных решений, выбора трасс туннелей и участков расположения машинных залов: выбора типов и конструкций креплений; определения способов ведения строительных работ. Детальность инженерно-геологического обоснования проекта зависит от этапов и стадий проектирования, типов, размеров, глубины заложения и >словий работы сооружений. На методику, состав, объемы

инженерно-геологических изысканий влияют также сложность геологического строения и гидрогеологических условий, доступность местности и ее обнаженность.

Особенности инженерно-геологических изысканий для строительства подземных гидротехнических сооружений определяются тем, что их закладывают на значительной глубине. Поэтому изыскания не могут обеспечить достаточно полную и точную информацию о строении и свойствах горных пород, слагающих интересующий проектировщиков горный массив. Полнота и точность сведений об инженерно-геологических условиях зависят также от правильности выбора и комплексирования методов изысканий и исследований.

При проведении изысканий следует учитывать, что горные породы могут служить для подземных сооружений основанием, средой и материалом, используемым в конструктивных элементах (своды, стены, опорные целики, колонны и т. п.). Поэтому необходимо проводить всестороннее изучение свойств горных пород в массиве.

Перечисленные выше особенности изысканий для подземных гидротехнических сооружений определяют необходимость широкого применения метода инженерно-геологического прогнозирования. Инженерно-геологический прогноз надо составлять на всех этапах изысканий, так как его содержание изменяется в зависимости от детальности проектирования и степени знания природной обстановки. Первоначально, основываясь на данных о проектируемом сооружении и имеющихся материалах (литературных, фондовых, рекогносцировочного обследования), составляют предварительную прогнозную инженерно-геологическую модель, служащую отправным материалом для выпуска программы инженерно-геологических изысканий.

В процессе выполнения программы изысканий необходимо проверять, уточнять или изменять предварительную прогнозную модель, а программу изысканий и исследований корректировать.

Результатом инженерно-геологических изысканий является прогнозная модель района предполагаемого строительства, составленная с учетом их материалов.

В строительный период при документации подземных выработок необходимо оценивать точность выполненных ранее прогнозов и их соответствие природной обстановке и вести дальнейшее уточнение инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации сооружений. С этой целью должны составляться дополнительные текущие прогнозы.

Практика инженерно-геологического обоснования проектов 1 идротехнических туннелей показывает, что в сложных геологоструктурных условиях прогноз инженерно-геологических и гидрогеологических условий на наиболее сложных участках должен подтверждаться данными опережающего бурения из ствола выработки и его тщательной геологической документацией.

Основными природными факторами, определяющими инженерно-геологические условия возведения и эксплуатации подземных гидротехнических сооружений, которые надо учитывать при составлении прогнозных моделей и прог раммы изысканий, являются:

геологическое строение района: состав, распространение, мощность и условия залегания коренных горных пород, мощность и состав покровных отложений: тектоника района: наличие складчатых и разрывных струк1ур. зон ослабления пород, характер и ориентировка преобладающих систем трещин;

гидрогеологические условия: наличие водоносных горизонтов, их распространение, водообильноеп>, водопроницаемость горных пород, распределение напоров подземных вод, химический состав и агрессивность подземных вод:

физико-механические свойства горных пород в массиве с учетом их литологических и текстурных особенностей, трещиноватости, естественною напряженною состояния, влажности, водостойкости, определяющие способы производства строительных работ, типы и констр>кции временною и постоянного крепления;

5

физико-геологические и инженерно-геологические процессы, влияющие на строительство и эксплуатацию подземных сооружений, сейсмоактивносгь и возможность проявления современных тектонических подвижек блоков пород;

геотермические условия, определяющие условия строительства и эксплуатации подземных сооружений;

газоносность горных пород: наличие и возможности поступления в подземные горные выработки природных газов, взрывоопасных и вредных для здоровья людей и сохранности техники.

При составлении программы необходимо исходить из основных положений оптимизации изысканий, позволяющих при наименьших затратах получить необходимый эффект [ 29].

2. ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ РАЙОНА

Инженерно-геологическая съемка. На ранних стадиях проектирования перед составлением программы изысканий для назначения и предварительной оценки вариантов компоновки сооружений выполняют инженерно-геологическое обследование местности. В процессе его уточняют имеющиеся геологические материалы и дополняют представления о тектонической структуре, трещиноватости пород, интенсивности физико-геологических процессов и др.

Затем проводят инженерно-геологические съемки, масштабы которых выбирают в зависимости от стадии проектирования, типа и размеров проектируемого сооружения, сложности геологического строения, геоструктурных условий и доступности местности.

Мелкие масштабы съемок принимают на ранних этапах проектирования для туннелей с несложными инженерно-геологическими условиями при глубоком их заложении и большой протяженности. Для туннелей глубокого заложения, находящихся в сложных геологических условиях, можно проводить съемки среднего масштаба. Крупные масштабы съемок принимают на стадии проекта для крупных туннелей, проходимых в сложных инженерно-геологических условиях и при относительно небольшой их протяженности, а также на участках расположения подземных камер машинных залов ГЭС и ГАЭС, на портальных участках туннелей. Наиболее подробно изучают портальные участки туннелей, так как их проходят в породах, наиболее ослабленных экзогенными процессами. В процессе геологосъемочных и разведочных работ необходимо охарактеризовать устойчивость откоса массива, в котором закладывается портал, установить размеры и откосы припортальной выемки.

При определении ширины полосы инженерно-геологической съемки по трассе гидротехнического туннеля следует исходить из того, что она должна охватывать все рассматриваемые проектом варианты трассы и освещать геологическое строение на необходимую глубину. Поэтому желательно, чтобы в контуры съемки вошли обнажения всех комплексов пород, в которых должен пройти туннель, и основные геологические структуры. В связи с этим контуры съемки на отдельных участках могут быть расширены, а в случаях, когда обнажения пород находятся на значительном расстоянии от намечаемого места расположения сооружений, для их изучения необходимо делать специальные маршруты.

Основные съемочные маршруты следует прокладывать по возможности вкрест простиранию пород, обращая особое внимание на изучение комплексов и отдельных разновидностей слабых пород и зон тектонических нарушений. Геологическая карта должна подробно отражать все основные геологические структуры.

Среди складчатых структур следует тщательно выделять осевые части антиклиналей и синклиналей, зоны малой складчатости, смятия пород ит. п. Для всех элементов складок должны быть даны ориентировка их в пространстве и основные размеры.

Разрывные тектонические нарушения рекомендуется различать по мощности (ширине) и протяженности приразломных зон дробления, трещиноватости и осложняющей складчатости с учетом их подразделения на порядки. В СНиП И-16-76 рекомендуется пользоваться классификацией нарушений сплошности горных массивов, помещенной в табл. 1.

Изучение разломов и сопровождающих их зон милонитизации, дробления и трещиноватости следует проводить с особой тщательностью, так как при пересечении их туннелем обычно возникают большие осложнения: нарушается устойчивость кровли и стенок выработки, увеличивается приток подземных вод и т. п. На участках разломов сильно снижаются показатели деформируемости пород в массиве, что имеет важное значение при проектировании напорных туннелей.

Таблица I

Характер нарушения сплошности массивов Протя женноеть нарушений Мощность зоны дробления разломов и ширина трещин Разломы I порядка - глубинные, сейсмогенные Согни и тысячи километров Сотни и тысячи метров Разломы II порядка - глубинные, несейсмогенные Десятки и сотни километров Метры и десятки метров 1 и частично-сейсмогенные 1 Разломы III порядка Единицы и десятки километров Метры и десятки мемров Разломы IV порядка Сотни и тысячи метров Десятки и сотни сантиметров Мелкие разломы и крупные Десятки и сотни метров Десятки сантиметров трещины Средние трещины Метры и десятки метров Миллиметры и сантиметры Мелкие трещины Сантиметры и метры Доли миллиметра и миллиметры

При изучении разлома необходимо прежде всего установить его порядок, кот-рым определяется масштаб сопровождающих сто нарушений. Затем должен бьпь определен кинематический тип разлома (сброс, надвиг, взброс и т. п.), установлены направления и амплитуда смещения, охарактеризованы зоны милонитизации. дробления и трещиноватости. Кроме того, изучают соотношение данною тектоническою нарушения с другими структурными элементами, а также явления, сопровождающие тектоническое нарушение: трещины оперения, приразрывную сланцеватоем>. ил иб слоев у поверхности сместителя и пр.

Изучение трещиноватости горных пород. Трещиновагость является одним из главных показателей сохранности скальных массивов, определяющих устойчивое гь сводов и стен подземных выработок, условия разработки пород, характер крепления и обделки выработки.

Необходимо различать мелкую трещиноватость и тектонические разрывные нарушения, так как подход к их изучению и оценке неодинаковый. Мелкая (фоновая) трещиноватость бывает представлена небольшими разрывами чаще всею без смещений по ним. Она существенно влияет на прочностные, деформационные и филь трационные свойства пород, их разрабатываемое гь | IО J

Для оценки характера и степени трещиноватости массивов юриых пород необходимо определять основные генетические типы трещин, их туетогу (частоту), ширин} (раскрытие), протяженность, элементы эалаания плоскостей трещин (азимут и угол падения). шероховатость с гонок. состав и свойс т ва заполнит ел я

Количественную оценку степени трещиноватости пород следует производить по модулю трещиноватости, блочности и коэффициенту трещинной пустотности [11].

Модуль трещиноватости характеризует количество трещин, развитых на протяжении 1 м рассматриваемого разреза горного массива. По модулю трещиноватости горные породы по СНиП 11-16-76 рекомендуется делить на четыре группы (табл. 2).

Таблица 2

Группа пород Модуль трещиноватости Среднее расстояние между трещинами, м Слаботрещиноватые 1,5 0,65 С реднетрещиноватые 1,5-5 0,20-0,65 Сильнотрещиноватые 5-30 0,03-0,20 Весьма сильнотрещиноватые (раздробленные) 30 0,03

Модуль трещиноватости обычно определяют как для исследуемых обнаженных поверхностей пород, так и для каждой из основных систем трещин. Применительно к последним его определяют вкрест простиранию к плоскостям трещин и используют для решения общегеологических задач, а также в практике проектирования гидротехнических сооружений. Этот показатель служит для выявления механизма образования трещин, их связи с основными складчатыми и разрывными структурами, а также дает возможность судить об анизотропности инженерно-геологических свойств пород (прочности, деформируемости, водо- и газопроницаемости) .

Блочносгь характеризует средний размер элементарных блоков, на которые массив расчленен трещинами, или количество кусков породы в 1 м³. Чем меньше при прочих равных условиях элементарные блоки, тем ниже устойчивость пород в подземной выработке и тем легче они поддаются разработке.

Заполнитель трещин в значительной степени определяет устойчивость пород в подземной выработке и их водопроницаемость. Заполнитель может быть представлен как продуктами разрушения пород (песок, супесь, глина), так и минеральным веществом (кальцит, гипс и др.). Эти продукты могут заполнять трещину полностью или частично. При изысканиях необходимо выявить мощность и состав заполнителя, оценить его прочность, суффозионную устойчивость, сжимаемость и сопротивление сдвигу.

Косвенными показателями степени разрушенности скальных пород могут служить также коэффициент выветрелости (отношение плотности выветрелой породы к плотности невыветрелой) и коэффициент трещинной пустотности (отношение объема полостей трещин к объему породы) .

Для оценки трещиноватости массивов пород используют также результаты опытных нагнетаний и наливов в буровые скважины. По удельному водопоглащению £?, л/мин, и коэффициенту фильтрации /Сф, м/сут, породы можно классифицировать согласно СНиП IM6-76 (табл. 3).

Таблица 3

Степень водопроницаемости пород Удельное водо-поглощение q, л/мин Коэффициент фильтрации А*ф, м/сут Практически водонепроницаемые Меньше 0,01 Меньше 0,01 Слабоводопроницаемые 0,01-0,1 0,01-0,1 Водопроницаемые 0,1-1 0.1-1 С ильноводопроницаемые 1-10 1-10 Очень сильноводопроницаемые Больше 10 Больше 10

В разведочных и строительных горных выработках могут выполняться опыты по воздушному определению трещиноватости горных пород методом ВОТ. Результаты этих определений используют для косвенной оценки трещиноватости пород и наблюдений за их разгрузкой в массиве.

При бурении разведочных скважин о степени трещиноватости пород можно судить по выходу керна или показателю качества породы RQD (см § 4). Однако эти показатели являются косвенными и могут быть использованы только при наличии других качественных и количественных характеристик трещиноватости.

В настоящее время наметилась тенденция комплексного подхода к оценке степени трещиноватости пород массива и его нарушенности в целом, г. е. нс только по приведенным показателям, но и по деформационным и упругим характеристикам: модулю деформации Е и скорости распространения упругих волн (см. § 4).

Собранные в процессе полевых исследований данные о простирании и углах падения трещин подвергают графической обработке, что позволяет систематизировать трещины и наглядно показывать закономерность их ориентировки. Чаще всего для этого используют круговые диаграммы, диаграммы-розы и карты трещиноватости.

Характерный пример круговой диаграммы трещиноватости, составленной применительно к практике проектирования гидротехнических туннелей, приведен на рис. 2 Эта форма графической обработки позволяет наглядно представить ориентировку основных систем трещин и выбрать оптимальное место расположения и компоновку проектируемых подземных сооружений по отношению к наиболее неблагоприятным системам трещин, которые могут способствовать образованию вывалов пород.

О

Рис. 2. Круговая диаграмма трещиноватости горных пород: содержание трещин / — до 27(; 2 — до 5%; 3 — до 1 0%; 4 - до 15°/<; .5 — до 2 СУ г ; 6 — до ЗСУI . 1 —V II системы трещиноватости

9