МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАБНИППРОЕКТ

РЕКОМЕНДАЦИИ

по натурным наблюдениям и исследованиям фильтрации в подземных гидротехнических сооружениях

П 10—83 ВНИИГ

ЛЕНИНГРАД

>983

В работе даны рекомендации по составлению проектов закладки контрольно-измерительной аппаратуры для натурных наблюдений и исследований фильтрации, в том числе исследований эффективности протнвофнльтрационной цементации и разгрузочных дренажей обделок вокруг подземных гидротехнических сооружений глубокого заложения с учетом инженерно-геологических условий. Списаны приборы и способы для наблюдений и исследований за фильтрацией в периоды изыскании, строительства п эксплуатации названных подземных сооружении.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических и научных работников, работающих в области контроля и натурных исследований подземных гидросооружений глубокого заложения, подверженных значительным давлениям подземных вод.

© Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники имени Б. Е. Веденеева (ВНИИГ), 1983.

меров аварий, происшедших из-за недооценки давления подземных вод,

МО. Физико-химическое воздействие подземных вод на бетон и металл обделок приводит к их разрушению под действием агрессивных агентов или к уплотнению бетона, вызванному заполнителем пор и трещин, отложением частиц грунта и нерастворимых солей, набуханием [11].

При этом следует подчеркнуть, что особенно опасны по своему воздействию на бетонные и железобетонные обделки туннелей сульфатные подземные воды. Известны случаи, когда гидротехнические туннели, построенные в породах* содержащих гипсы и ангидриты, и закрепленные обделками из бетона иа портландцементе, совершенно разрушались подземными водами через 1 _т5 -— 2 года эксплуатации.

1.11.    Биологическое воздействие обусловливается микроорганизмами и приводит к гниению деревянных конструкций, иста-чиванию их живыми организмами, обрастанию растениями поверхностей стали и бетона; иногда микроорганизмы разрушают сталь и бетон.

1.12.    Водоприток к сооружениям необходимо оценивать как в период строительства, так и эксплуатации.

Известны случаи, когда из-за большого притока воды в забой приходилось менять трассу туннеля (ХрамГЭС-2, туннель Арпа — Севан и др.) или применять специальные способы проходки с опережающей цементацией или замораживанием породы.

В период эксплуатации большой приток подземных вод к сооружениям может потребовать устройство специальных водосбросных коллекторов (штолен, шахт), дренирования стен и потолков помещений, установки насосов и т. д. При этом необходимо иметь в виду, что водоотводные трубы малого диаметра могут быстро зарастать солями (продуктами выщелачивания из породы или цемента из обделки).

В подземных помещениях с электрическим оборудованием фильтрационная вода сильно осложняет условия эксплуатации оборудования (например, помещение подъемных механизмов строительного туннеля III яруса Нурекской ГЭС).

1.13.    Трещинообразоваиие н утечки воды из сооружений (туннелей, шахт, разветвлений и др.) могут привести к недовыработке электроэнергии, снижению долговечности обделки сооружения и к развитию нежелательных процессов в массиве горных пород.

1.14.    Изменение свойств горных пород и массивов, происходит под действием,физического или химического изменения породы на контакте с водой.

Поровая вода в твердом веществе снижает прочность породы и повышает в несколько раз ее ползучесть, а следовательно, и деформативиость. Снижение прочности пород, в свою оче-

Н

редъ, усиливает трещинное деформирование их, которое увеличивает фильтрацию.

Поровая вода в материале, заполняющем трещины, размягчает породу, повышает ее пластичность и способствует ее набуханию.

Собственно трещинная вода, содержащаяся в открытой полости трещины, является свободной водой, которая при возникновении разности напоров циркулирует по трещинам. Эта вода снижает силу трения вдоль стенок трещин; кроме того, эта сила трения снижается за счет противодавления воды.

Вымывая и выщелачивая породы, пропитывая их, подземные воды могут способствовать возрастанию горного давления. В трещиноватых породах подземные воды могут вызывать скольжение одних пластов по другим, причем масштабы последствий этого явления зависят от интенсивности притока воды к выработке. В практике строительства гидротехнических сооружений за рубежом известны неоднократные случаи разрушения туннелей, сооружаемых в склонах горных массивов. Нередко причиной этих аварий служило смачивание водой, просачивающейся в горный массив из туннеля.

Под действием увлажнения сухих глинистых пород происходит их набухание, приводящее к увеличению горного давления.

СОСТАВ И СРЕДСТВА НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ФИЛЬТРАЦИЕЙ

1.15. Согласно нормативным документам [3, 7, 8, 9] в проектах основных гидротехнических туннелей I, II и III классов должна предусматриваться установка КИА для проведения натурных наблюдений за работой сооружения как в процессе строительства, так и в период его эксплуатации, для оценки состояния обделки туннеля и окружающей породы и фильтрационного режима в подземном сооружении и в массиве горных пород на участке расположения сооружения. Наблюдения должны быть организованы так, чтобы измерения, выполняемые с помощью различной КИА, могли взаимно дополнять друг друга.

Основными современными средствами инструментального контроля являются измерительные преобразователи, с помощью которых осуществляют дистанционные измерения физических величин, характеризующих состояние и работу сооружений [12].

Основной целью инструментального контроля подземных сооружений является диагностика их фактического состояния, на основе которой возможно прогнозировать возникновение аварийных ситуаций. Накопление и анализ данных инструментального контроля позволяет совершенствовать проекты новых объектов и нормативные документы. Наряду с этим в последнее время возрастает необходимость использования данных инструментальных наблюдений для осуществления контроля и управления качеством строительно-монтажных работ.

Наблюдения, проводимые за фильтрацией в подземных сооружениях, подразделяются па контрольные наблюдения и специальные исследовании.

1.16. Контрольные наблюдения проводятся с целью текущего строительного млн эксплуатационного контроля за фильтрационными процессами и состоянием сооружения, связанными с фильтрацией подземных вод. К ним относятся наблюдения за следующими параметрами:

положением депрессионной поверхности фильтрационного потока, изменением гидрологического режима участка;

напорами подземных вод на контакте обделок подземных сооружений с вмещающей породой, вблизи от этого контакта в пределах зоны противофпльтрацнонной (укрепительной) цементации породы;

давлениями подземных вод на обделку (для оценки величины коэффициента площади передачи давления а₂);

раскрытием трещин в породе и обделке и расходом воды, фильтрующейся из них и сквозь тело бетонной обделки в местах ее увлажнения, капежа, струйных выходов воды;

суммарными фильтрационными расходами, определяемыми мерными водосливами и другими способами;

эффективностью работы противофильтрационных и дренажных устройств, деформационных швов, заделок трещин;

появлением и интенсивностью механической и химической суффозии бетона подземных сооружений и вмещающих их пород (количеством и гранулометрическим составом твердых частиц, выносимых фильтрационным потоком из породы, фильтров или зоны цементации; состоянием натеков извести, выщелачиваемой из бетонной обделки; состоянием обнаженных поверхностей породы или дренажных полостей);

температурным и гидрохимическим режимом фильтрационного потока.

Наиболее простой формой контрольных наблюдений, являются визуальные осмотры сооружений;

текущие осмотры сухих подземных сооружений (машинные залы, помещения трансформаторов, вспомогательные помещения, грузовые н транспортные туннели и т. п.);

специальные обследования, проводимые при резком изменении напора воды в напорных сооружениях, при возникновении серьезных деформаций обделок, после землетрясений.

Основным видом контрольных наблюдений являются стационарные наблюдения, организуемые для получения данных о происходящих процессах в окружающей сооружение породе, подземной воде, в конструкциях и внутри сооружений. Эти наблюдения проводятся как визуально, так и с помощью контрольно-измерительной аппаратуры.

Объем контрольных фильтрационных наблюдений определяется типом сооружения, степенью его ответственности (характе*

13

ризу с мой классом сооружения) и сложностью пи же и ер и о-геологических и гидрогеологических условий массива горных пород, вмещающего сооружение.

1.17.    Специальные исследования проводятся с целью выбора оптимальных параметров дренажных и протнвофнльтрациошшх устройств, а также способов и устройств для определения тре-щинообразоваиня в обделках, утечек воды из туннелей.

К специальным исследованиям относятся изучение физико-химических процессов в массиве горных пород и в обделке {суффозионной устойчивости заполнителя трещин, слабых прослойков, зон дробления), уточнение параметров водопроницаемости (коэффициентов фильтрации, коэффициентов водоотдачи, недостатка насыщения) породного массива, противофильт-рационных элементов и обделок сооружений, оценка степени фильтрационной изотропности и однородности породы, вмещающей сооружения.

Специальные исследования, например, могут включать циклы температурных наблюдений и опыты по определению скоростных характеристик фильтрационного потока с помощью солевых индикаторов. Для уточнения расчетных параметров фильтрационного потока рекомендуется проводить опыты методом ЭГДА.

Проведение специальных исследований практикуют также в тех случаях, когда в процессе эксплуатации по каким-либо причинам выявляется недостаточность существующей системы регулярных наблюдений для решения возникающих инженерных задач. Во время специальных исследований фильтрации наблюдения выполняют по расширенной программе, предусматривающей возможность получения дополнительной информации об исследуемом объекте.

При выполнении таких специальных исследований следует стремиться к тому, чтобы направление моделируемого фильтрационного потока совпадало с тем, которое будет иметь место в процессе эксплуатации построенного сооружения.

Постановка специальных натурных фильтрационных исследований в каждом отдельном случае должна быть обоснована особой программой. Если для проведения специальных исследований устанавливаются приборы и другие устройства, необходимо рассматривать возможности их использования и для текущего строительного или эксплуатационного контроля.

В некоторых случаях между натурными наблюдениями и исследованиями различие практически отсутствует, и эти термины отражают лишь условное разграничение.

Объем специальных натурных исследований определяется актуальностью проблемы и сложностью разрешения вопросов, указанных в программе.

1.18.    Для качественного и своевременного осуществления натурных наблюдений и исследований, для правильного понима-

14

пня явлений н их объективной оценки и прогноза их из мене mm во времени, натурные наблюдения должны проводиться с уютом разнообразия инженерно-геологических и гидрогеологических условий, а также видов подземных сооружений и их режима работы; задачи натурных исследований в каждом отдельном случае должны иметь свое направление, зависящее от поставленных целен, местных условий, типа сооружения, его значимости и др.; соответственно в каждом отдельном случае должна назначаться программа исследований, намечаться состав и методика исследований.

1.19.    Для облегчения понимания, расшифровки, взаимном увязки и сопоставления результатов наблюдении за фильтрацией, наблюдения должны проводиться в следующие периоды: до проходки подземного сооружения; в период проходки выработки и возведения обделки; в период пуска н нормальной эксплуатации особенно при наполнении и сработке водохранилища; после землетрясения при активных тектонических подвижках вмещающего массива пород и после других чрезвычайных явлений.

1.20.    В результате проведения натурных наблюдений дается оценка надежности и безопасности сооружения пли отдельной его части на основании местных инструкций.

По результатам натурных наблюдений за фильтрацией надлежит вносить уточнения и изменения в инструкцию по эксплуатации и способам контроля работы, ремонта и восстановления дренажей и зоны противофильтрацношюй цементации, а также вносить изменения в соответствующие нормативные документы

1.21.    С целью изучения условий фильтрации на наблюдаемом объекте целесообразно строить гидродинамические сетки фильтрации, имеющие в общем случае пространственный характер. При построении таких сеток должны учитываться особенности проницаемости пород, специфика работы дренажных и противо-фильтрационных устройств и т. п.

ПРОГРАММА НАБЛЮДЕНИЙ

1.22.    Программа натурных наблюдений п исследований фильтрации в подземных гидротехнических сооружениях должна отображать практическую и теоретическую целесообразность намечаемых исследований и возможность их технического и производственного осуществления.

Она должна обеспечить эффективность всего комплекса работ по натурным исследованиям фильтрации, оперативность и своевременность обработки всей информации, получаемой от датчиков, и правильность интерпретации результатов такой обработки.

Программа должна отличаться гибкостью, позволять вносить необходимые изменения на различных этапах исследова-

15

мни. Программа исследований составляется проектной или научно-исследовательской организацией на стадии проекта.

1.23* В программе должны быть отражены следующие вопросы:

обоснование постановки натурных наблюдений; цели и задачи предполагаемых наблюдений; объекты наблюдения (массив горных пород, сооружение или его элементы);

состав наблюдений;

методика наблюдений; в ряде случаев для решения конкретных вопросов она может быть разработана заново; аппаратура для проведения наблюдений; предельные значения подлежащих контролю параметров, определяющих допустимое или недопустимое состояние контролируемого объекта;

сопоставительные теоретические расчеты и модельные исследования; эти работы следует выполнять в основном до проведения натурных исследований, чтобы полнее учитывать все действительные инженерно-геологические и гидрогеологические условия, а также условия возведения и работы сооружения; ориентировочная стоимость предполагаемых наблюдений; сроки начала и окончания работ, периодичность наблюдений, основные исполнители и доля их участия, а также ожидаемые результаты.

1.24.    На основании утвержденной программы натурных наблюдений составляют проект размещения фильтрационной КИА в подземном сооружении и во вмещающем его массиве ropifbix пород.

Проект размещения КИА составляют с учетом соответствующих нормативных документов, рекомендаций, методических указаний, пособий, разработанных ВНИИГом им. Б. Е. Веденеева.

Выбор конструкции и назначение количества КИА, а также ее размещение должны производиться в зависимости от класса туннеля, его конструкции, геологических и гидрологических условий, а также способов производства работ.

Состав КИА и ее размещение должны позволять устанавливать характер пространственной фильтрации (с учетом фильтрационной КИА по другим соседним сооружениям, например, плотины и ее основания), чтобы можно было не только контролировать работу подземного сооружения, ко. и сопоставлять результаты натурных наблюдений с модельными испытаниями и расчетами.

1.25.    Применяемая КИА и методы наблюдений и исследований должны давать возможность быстро устанавливать воздействие того или иного фактора на поведение сооружения или его элементов. С этой целью целесообразно применение автоматически показывающей, а иногда и сигнализирующей (свет, звук)

16

аппаратуры, кабели которой выведены па пульты. Желательно получение такой информации, которая дает возможность прямой оценки состояния контролируемого объекта путем сравнения наблюдаемых значений контролируемых параметров с установленными заранее их предельными значениями.

При большом количестве приборов следует предусматривать централизацию и автоматизацию КИА при помощи автоматической измерительной системы (АИС) с выходом на ЭВМ, которую необходимо ввести в эксплуатацию с момента установки первых измерительных приборов, ЭВМ должна сопоставлять данные натурных наблюдений с критическими параметрами и сообщать на центральный пульт о возможных критических состояниях сооружений или их элементов.

Примечание. В приложении / приведены краткие сведении о приборах для натурных фильтрационных исследований, применяемых НИСом Гидро-проекта, а в приложениях 2, 3 сведения по фильтрационной КИА на участке подземного здания Рогунской ГЭС и в катастрофическом водосбросе Нурек-скон ГЭС.

1.26* Для обеспечения надежности и сохранности КИА, надлежит ее размещать в потернах, галереях, шахтах, нишах, подходных выработках и других местах, недоступных для лиц, не имеющих к КИА отношения.

Необходимо также учитывать относительно небольшую продолжительность работоспособности закладываемых приборов и их чувствительность к механическим воздействиям при их установке. В практике известно много случаев нарушения приборов в процессе строительных и цементационных работ. Пьезометры, кроме того, подвержены кольматацин.

1.27. Результаты наблюдений за фильтрацией в подземных сооружениях целесообразно оценивать совместно с результатами наблюдений за напряженно-деформированным состоянием породного массива и обделки, режимом общей фильтрации на участке расположения сооружения, температурой фильтрующейся воды и т. п.

Результаты контрольных наблюдений и специальных исследований после их обобщения должны быть использованы при составлении предложений по ремонтным работам, а также при проектировании новых объектов.

При наличии квалифицированных инженерных кадров на крупных гидроузлах следует стремиться к возможно более полному анализу результатов наблюдений силами самого эксплуатационного персонала, который должен также принимать непосредственное участие в тарировке и наладке всей аппаратуры.

В необходимых случаях могут быть даны рекомендации о привлечении проектных, научно-исследовательских и других организаций для консультаций по сложным вопросам оценки фильтрационной обстановки на участке сооружения и участия в разработке мероприятий по снижению вредного воздействия фильтрации в сооружения или из них.

17

1.28. Организация натурных наблюдений за фильтрацией должна определяться «Указаниями по организации и проведению натурных наблюдений па строящихся гидротехнических сооружениях» [13].

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ПЕРИОД ИЗЫСКАНИЙ И СТРОИТЕЛЬСТВА

2Л. Гидрогеологические условия участка строительства являются -одним из основных природных факторов, определяющих ннженерно-геологнческне условия возведения и эксплуатации подземных гидротехнических сооружений.

В процессе инженерно-геологических изысканий для подземных гидротехнических сооружений выясняют необходимые характеристики общих гидрогеологических условий и параметры отдельных водоносных горизонтов [6, 14].

2.2.    Основными вопросами, подлежащими освещению при характеристике гидрогеологических условий, являются:

стратиграфическое положение, литологический состав, условия залегания водовмещающих пород и основных водоуноров;

гидравлические тины основных водоносных горизонтов, их распространение и мощность;

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

водопроницаемость и водообильность пород;

химизм и агрессивность подземных вод но отношению к бетону и другим строительным материалам.

Если подземные воды в районе подземного сооружения могут подпитываться атмосферными осадками или поверхностными водами, и если подпитка может заметно поднять уровень подземных вод, то при изысканиях необходимо давать количественную оценку такого поднятия.

2.3.    Для изучения гидрогеологических вопросов могут выполняться; гидрогеологическая съемка, бурение гидрогеологических скважин, опытно-фильтрационные работы и некоторые специальные исследования: изучение направления и действительных скоростей движения подземного потока; выявление карстовых полостей, путей движения сосредоточенных подземных потоков; изучение фильтрационной устойчивости пород, возможности развития химической и механической суффозии; возможности химического кольматажа дренажных устройств:

Кроме того, в процессе изысканий следует проводить специальные исследования по изучению фильтрации в массиве в его естественном состоянии и после проведения цементации породы. В районе карста необходимо изучать суффозиониую устойчивость пород на специально устраиваемых для этих целей опытных участках.

18

По трассам глубоко заложенных туннелей и других подзем-пых сооружений должны быть определены уровни естественных подземных вод и организованы гидрогеологические наблюдения п скважинах, горных выработках и на источниках, и эти наблюдения впоследствии должны быть продолжены в период строительства, а в случае необходимости и в период эксплуатации сооружений.

Данные о химизме подземных вод должны отражать все возможные его изменения по характерным сезонам года.

2.4.    Изучение гидрогеологических условий должно давать достаточный материал для прогноза возможных притоков воды в подземные выработки, определения напоров подземных вод, действующих на обделки сооружении, и оценки агрессивности воды но отношению к бетону н другим строительным материалам.

2.5.    Прогноз притока воды в подземные выработки является одной из сложнейших задач гидрогеологических исследований. Наибольшую трудность представляет прогноз притоков трещинно-напорных вод, приуроченных к зонам тектонических нарушений и карстовых вод, поэтому изучение разломов и сопровождающих их зон милоиитизации, дробления и трещиноватости следует производить с особой тщательностью, так как при пересечении их подземной выработкой обычно увеличивается приток подземных вод.

С другой стороны, тектонические зоны могут служить естественными преградами для движения подземных вод в массиве и пересечение их туннелем приведет к прорывам в последний значительных количеств воды.

Для определения ожидаемого притока подземных вод в выработки используют следующие основные методы: аналитический, гидрогеологических аналогий, водного баланса и моделирования.

2.6.    Для изучения водопроницаемости и водообильности породных массивов в соответствующих разведочных выработках выполняют опытные откачки, наливы и нагнетания воды [6], которые производят с целью прогноза водопритоков или возможной фильтрации воды из туннелей и оценки поглощения материалов при создании противофильтрационных завес. При этом практически водоупорными считают породы, характеризующиеся удельными водопоглощениями менее 0,01 л/(мин • м²).

2.7.    Для безнапорных подземных сооружений установление уровней и напоров подземных вод необходимо для определения нагрузок на обделки сооружений, водопритоков, мощности водоотливных средств и пропускной способности дренажных и водоотводных устройств. Знание этих параметров фильтрационного потока необходимо также для оценки возможного развития некоторых инженерно-геологических процессов, связанных с разгрузкой подземных вод (суффозионного выноса частиц, вымыва

2*

заполнителя трещин, прорыва подземных вод в выработку, деформаций пород под напором воды, гравитационного уплотнения и осадок пород в пределах воронки депрессии и т. д.).

При определении давления воды на обделку необходимо учитывать дренирующее значение поверхностной эрозионной сети и самих подземных выработок, а в зоне подпора воды в водохранилище и обходного фильтрационного потока —возможное повышение уровня.

2.8.    Оценка агрессивности подземных вод производится с учетом изменения ее по временам года, а также в результате подтока вод из различных водоносных горизонтов, дренируемых выработкой, и смешения вод различного химического состава П5].

2.9.    При проведении изысканий изучают также процессы и явления в массиве горных пород и на поверхности земли, связанные с подземными водами:

карст [16], суффозия [17], плывунные явления, набухание пород;

процессы, обусловленные водоотливом и понижением уровней подземных вод: уплотнение пород, образование на поверхности земли мульд н трещин оседания, изменение гидростатического и гидродинамического давления, напряженного состояния пород и их устойчивости, интенсификацию или уменьшение суффозии, движение плывунов.

Процессы, связанные с действием подземных вод, а также с водоотливом и водопонпженнем, обычно бывают приурочены к определенным литологическим комплексам пород. Неблагоприятными с точки зрения возможного пересечения крупных карстовых полостей и связанных с ними скоплений подземных вод считаются известняки, а также комплексы гнпсоносных и соленое-ных пород. Суффозионные и плывунные процессы, а иногда сдвижение пород и оседания кровли связаны с комплексом рыхлых водоносных пород.

Неблагоприятными с точки зрения прорывов подземных вод являются участки пересечения туннелями зон крупных разрывных тектонических нарушений, рыхлых круинообломочных и песчано-глинистых пород, полускальных пород, участков пород с мелкой складчатостью и перемятостью.

Прорыв подземных вод сопровождается обычно выносом породы. Такие прорывы возможны по карстовым полостям, по трещинам в сильно водопроницаемых породах, по крупным тектоническим разломам, при пересечении выработкой древних эрозионных понижений, выполненных водонасыщенными песчаноглинистыми породами типа плывунов.

Известны примеры, когда участки с тектоническими нарушениями, где ожидается большой приток подземных вод, обходили туннелями, что приводило к увеличению их общей длины [18]. Аналогичные случаи имели место в отечественной практике при

20

ВВЕДЕНИЕ

Масштабы строительства подземных гидротехнических сооружений в Советском Союзе постоянно возрастают. Кроме гидроэлектростанций в ближайшие годы начнется строительство крупных гидроаккумулирующих электростанций, в состав которых войдут подземные сооружения глубокого заложения. К настоящему времени в Советском Союзе эксплуатируется не менее 300 км напорных и безнапорных гидротехнических туннелей н И подземных и полуподземных зданий ГЭС.

Согласно основным направлениям развития гидроэнергетики в XI — XII пятилетках предстоит завершить строительство подземных комплексов Рогуиской, Миатлинской, Зеленчукской, Ирганайской, Зарамагской, Байпазннской, Верхпе-Тернберской, Колымской, Спандарянской, Ташкумырской и других ГЭС с общей протяженностью выработок около 190 км.

При строительстве и* эксплуатации подземных сооружений, как правило, приходится иметь дело с подземными водами, являющимися иногда основной нагрузкой на сооружение,, причем при строительстве подземных гидротехнических сооружений приходится дополнительно учитывать влияние создаваемых водохранилищ и деривационных туннелей на изменение естественного режима подземных вод. Поэтому при проектировании подземных сооружений одной из основных проблем является правильный учет воздействия подземных вод и разработка - мероприятий по снижению этого воздействия с целью облегчения конструкций обделок, ускорения строительства и повышения долговечности сооружений. Разработка таких мероприятий при правильном подходе должна начинаться уже на стадии изыска* ннй. Недоучет давления подземных вод может привести к нежелательным последствиям, особенно когда туннель или шахта имеют стальную облицовку.

Вопросы теоретической оценки количественных показателей надежности гидротехнических сооружений и особенно долговечности, как известно, пока не имеют удовлетворительного решения. Поэтому натурные наблюдения рассматриваются в настоящее время как-основное средство обеспечения безопасности эксплуатации сооружений [1], а натурные наблюдения и исследования фильтрации относятся к числу важнейших.

з

строительстве туннелей, например, ХрамГЭС-2, Лрпа-Севаи [19| и др*

Из карстовых полостей подземные воды могут поступать под большими напорами и с большим расходом. В районах с резко расчлененным рельефом инфильтрация осадков происходит с большими гидравлическими градиентами, что способствует развитию преимущественно вертикальных карстовых форм.

Изучение этих явлений необходимо производить в увязке с общими геологическими условиями района строительства.

К набуханию при увлажнении склонны такие породы, как глины, глинистые сланцы, алевролиты, аргиллиты, слабые мергели и туффнты.

2.10.    Исследование отмеченных явлений при неглубоком заложении подземных сооружений производят с помощью буровых скважин в процессе разведочных работ и уточняют в процессе проходки выработки путем бурения отдельных опережающих скважин и геофизическими методами. При глубоком заложении подземных сооружении прогнозирование неблагоприятных явлении, связанных с прорывом в подземную выработку больших объемов воды, осуществляют путем бурения опережающих скважин.

2.11.    Наблюдение за указанными выше неблагоприятными процессами и явлениями на стадии изысканий и строительства осуществляет инженерно-геологическая служба, которая дает качественную и количественную их оценку, обоснование и рекомендации по предупреждению опасных процессов или борьбе с их вредным влиянием.

Породы, содержащие растворимые соли (гипс, ангидрит, каменная соль), должны подвергаться химическому анализу.

2.12.    На стадии строительства выполняют необходимые дополнительные гидрогеологические изыскания, опытные работы п специальные исследования, документируют водопроявления (кустовые и одиночные откачки [20], нагнетания [21], наливы и стационарные наблюдения за режимом подземных вод).

2.13.    Водопроницаемость и водоносность уточняют с помощью разведочных работ. С этой целью по трассам туннелей и на участках расположения подземных камер проходят буровые скважины, а на участках неглубокого заложения сооружений — горные выработки. Разведочные выработки закладывают на наиболее важных и сложных в гидрогеологическом отношении участках, к которым относятся контакты и зоны тектонических нарушений, участки развития оползней, карста, пород с повышенной водоносностью, участки прохождения туннелей под современными и погребенными эрозионными понижениями рельефа.

В документации водопроявлений должны быть отражены места выходов и расходы притекающих в выработку подзем-

21

Актуальность проблемы натурных наблюдений п гплротехни-чески* туннелях возросла в связи с тем, что за последнее время участились случаи повреждений обделок, выразившиеся в нарушении их монолитности вследствие образования довольно значительных трещин и в больших утечках воды из туннелей, ведущих к прекращению эксплуатации ГЭС, к подвижкам склонов и бортов ущелий, поднятию уровня подземных вод \2].

Уникальность подземных сооружений мощных ГЭС, залега-ющнх на больших глубинах под уровнем подземных вод, слож-ность инженерно-геологических и гидрогеологических условий требует постановки и решения ряда задач, ранее не возникав-ших при проектировании, строительстве и эксплуатации отечественных ГЭС, что, в свою очередь, заставляет создавать и разрабатывать новые методы и средства наблюдений за сооружениями, в том числе за фильтрацией.

Например, нормативным документом [3] в напорных туннелях разрешено проектировать обделки с лимитированным раскрытием трещин. Однако это смелое прогрессивное решение пока недостаточно подкреплено натурными исследованиями; измерения раскрытия трещин в напорных туннелях под нагрузкой не проводятся вообще.

Развитие натурных фильтрационных наблюдений и исследований в требуемых объемах н постановка их на надлежащем уровне тормозятся главным образом:

сложностью фильтрационных процессов, особенно в трещиноватых скальных массивах, в которых в основном строятся подземные (и особенно, высоконапориые) гидротехнические сооружения;

сложностью и трудоемкостью натурных наблюдений и исследований за фильтрацией;

недостаточностью внимания к этому важнейшему вопросу со стороны организаций, осуществляющих изыскания, проектирование, строительство и эксплуатацию гидротехнических сооружений;

отсутствием единых нормативов, руководств и рекомендаций по организации и проведению комплекса контрольно-режимных наблюдений на строящихся и эксплуатируемых сооружениях и отсутствием или недостаточностью специального контрольноизмерительного оборудования.

Известно, что натурные наблюдения и исследования являются наиболее объективным критерием оценки проектных решений, технологии возведения и качества построения сооружений или их отдельных элементов. Такие наблюдения и исследования, в частности, за фильтрацией в подземных сооружениях позволяют также уточнить существующие методы расчетов, накопить информацию, которая в ряде случаев не может быть получена в лабораторных условиях на моделях.

4

Систематические натурные наблюдения, кроме того, дают возможность вести непрерывный контроль за надежностью работы дренажных и противофмльтрационных устройств, обеспечивающих безопасность подземных сооружений, производить оценку их состояния, своевременно назначать сроки проведения ремонтно-восстановительных работ и проверять их эффективность.

В последнее десятилетие в нашей стране существенно новы-шспо внимание к обеспечению надежности гидротехнических сооружений. Важную роль при этом играет постепенное внедрение в практику эксплуатационного контроля показателей надежного состояния — критериев безопасности, с которыми могут сравни-ваться фактические показатели КИА.

Для обеспечения надежной эксплуатации сооружений необходимо создать, в свою очередь, надежную методику контроля за фильтрацией [4, 5].

Настоящие Рекомендации составлены в развитие действующих нормативных документов, в частности, по натурным наблюдениям н исследованиям, в соответствии с планом выпуска нормативных документов Лабораторией фильтрационных исследований ВНИИГа им. Б. Е. Веденеева.

В Рекомендациях приведены основные сведения, которыми следует руководствоваться при натурных наблюдениях и исследованиях фильтрации в подземных гидротехнических сооружениях во время изысканий, строительства и эксплуатации этих сооружений, приведены новые способы и устройства для наблюдений за фильтрацией; все эти сведения должны облегчить работу по составлению и осуществлению проекта названных фильтрационных исследований на современном уровне.

При составлении Рекомендаций использованы нормативно-методические указания, руководства, рекомендации, пособия, монографии, статьи и новейшие разработки НЙСа Гидропроекта по фильтрационной контрольно-измерительной аппаратуре (КИА) для подземных сооружений Рогунской и Нурекской ГЭС; использованы разработки ГрузНИИЭГСа, Средазгидропроекта, а также предложенные авторами настоящих Рекомендаций некоторые способы и устройства для натурных наблюдений и исследований фильтрации в опытных камерах в скальных массивах и действующих подземных гидротехнических сооружениях.

Учитывая, .что такие Рекомендации составлены впервые, они не могут претендовать на полноту освещения поставленной проблемы. Различные вопросы, рассматриваемые в Рекомендациях, освещаются не с одинаковой детальностью. По мере накопления соответствующих разработок и экспериментальных данных эти рекомендации будут дополняться и уточняться.

Рекомендации предназначены для специалистов, работающих в области изысканий, исследовании, проектирования, строительства и эксплуатации подземных гидротехнических сооруже-

5

ний и разработаны Лабораторией фильтрационных исследований ВНИИГа мм. Б. Е. Веденеева {руководитель лаборатории

—    канд. техн. наук В. Н. Жиленков), Лабораторией фильтрационных исследований ГрузНИИЭГСа (руководитель лаборатории

—    канд. техн. наук В. М. Насберг) и Сектором туннелей Средаз-гидропроекта (начальник сектора — канд. техн. наук В. Ф. Илюшин).

По проекту Рекомендаций были получены отзывы ВНИИ ВОД ГЕО. НИИ оснований и подземных сооружений нм. Н. М. Герсеваиова, Армгидропроскта, Ленгндропроекта, Сред-азгпдропроекта, Тбнлгидропроекта, НИСа Гидропроекта, ГрузНИИЭГСа.

Замечания по Рекомендациям следует направлять по адресу: 195220, Ленинград, Гжатская ул., 21, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и 380071, Тбилиси, ул. Ленина, 70, ГрузНИИЭГС.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

1.1. Настоящие Рекомендации являются практическим пособием по натурным наблюдениям и исследованиям фильтрации в подземных гидротехнических сооружениях, проводимым в периоды изысканий, строительства и эксплуатации, а также при проектировании упомянутых сооружений.

Рекомендации распространяются и на безнапорные не гидротехнические подземные сооружения, входящие в состав гидроузлов (транспортные, грузовые, вентиляционные туннели и шахты и др.).

Примечание. В период изысканий исследовании фильтрации в подземных гидротехнических сооружениях проводятся также в соответствии с {6J_

1.2* Рекомендации составлены с учетом требований нормативных документов, предъявляемых к оснащению гидротехнических сооружений и их оснований контрольно-измерительной аппаратурой (КИА), и по натурным наблюдениям и исследованиям [7,8, 3,9].

1.3. В Рекомендациях приведены общие положения по натурным наблюдениям и исследованиям фильтрации в подземных гидротехнических сооружениях, даны общие понятия и необходимые рекомендации по наблюдению и исследованию силового воздействия фильтрационного потока на сооружения и вмещающий массив горных пород, притока подземных вод в сооружения, трещинообразовання и утечек воды из сооружений; даны примеры оснащения подземных сооружений фильтрационной

Внесены Всесоюзным Утверждены ВНИИГом ордена имени Б. Е. Веденеева Срок Трудового Красного Знамени Решением № 10 от 7.02 1983 г введения Научно-исследовательским и согласованы IV квартал институтом гидротехники имени Б. Е. Веденеева с Главниипроектом Минэнерго СССР 1983 г.

7

КИА; приведены апробированные и перспективные способы и средства натурных наблюдений за фильтрацией.

1.4.    Основными задачами Рекомендации являются снижение стоимости строительства и повышение эксплуатационной надежности подземных сооружений за счет правильного учета воздействия подземных вод и применения наиболее рациональных решений, используемых в проектах, а также улучшение условии труда строителей и эксплуатационного персонала подземных сооружений: зданий ГЭС и ГАЭС, помещений трансформаторов, подземных механизмов затворов и других '«сухих» помещений.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЛЬТРАЦИИ

1.5.    В основу гидромеханического расчета фильтрации в подземных сооружениях положен статистический метод, потому что форма и размеры частиц грунта, а также трещин в скальных массивах, настолько незакономерны, что о фильтрационных свойствах водопроницаемых пород можно судить лишь по осред-ценным характеристикам. В то же время при экспериментальном изучении фильтрации затруднительно или невозможно судить о форме движения воды в порах или трещинах, а приходится определять осредненные характеристики потока, т. е. скорости, давления, расходы и т. д. Эти характеристики определяют, отвлекаясь от форм пор или трещин, относя их к площадкам, размеры которых малы по сравнению с общими размерами изучаемой области фильтрации, но достаточно велики по сравнению с размерами пор или трещин, по которым движется вода. Имея в виду такие элементы, можно говорить о некоторой средней скорости движения воды в порах или трещинах, постоянной в пределах данной площадки. Эта средняя скорость равна действительному расходу воды, протекающей через данную площадку, поделенному иа площадь сечения всех водопроводящих пор или трещин на площадке.

В практике натурных исследований могут встретиться случаи, когда движение воды происходит по очень крупным трещинам или карстам, имеющим индивидуальный характер, и элементы потока в этих образованиях следует определять гидравлическими способами.

В этих условиях необходима постановка и проведение дополнительных специальных исследований с целью выявления в фильтрационном потоке наличия участков сосредоточенной фильтрации.

Различие в характере движения воды в фильтрующей среде при относительно равномерной фильтрации и фильтрации сосредоточенной, как правило, должно сказываться на ее физических и химических характеристиках. В связи с этим можно

использовать различные методы наблюдении, химический анализ состава воды, гидробиологический и бактериологический анализы, различные физические анализы, радиационный анализ, изучение температурных и электрических полей и др. При отсутствии детектируемых различий в составе воды потока, определяемых условиями ее движения, могут быть использованы различные способы искусственной индикации.

1.6.    К натурным наблюдениям за фильтрацией в гидротехнических сооружениях следует относиться как к самой важной и ответственной части контроля за состоянием данного сооружения, потому что вследствие скрытого характера фильтрации ее отрицательное воздействие удается распознать не сразу. Вместе с тем при разработке методики наблюдений приходится также учитывать совершенно особые и заранее неясные в деталях обстоятельства фильтрации, которые обусловлены неизбежной изменчивостью геологической структуры вмещающего массива горных пород. В подземных сооружениях, кроме того, необходимо учитывать изменение проницаемости тонкотрещнноватых пород под действием перового давления и изменения напряженного состояния массива, вызванного строительными и эксплуатационными факторами.

При организации натурных наблюдений в сооружениях, расположенных вблизи от плотины, большое значение придается наблюдениям в период первого наполнения водохранилища, причем специальное внимание должно уделяться изучению общих закономерностей изменения наблюдаемых параметров, и прежде всего пьезометрических напоров и расходов.

Поэтому невозможно создать единые положения по проведению натурных наблюдений за фильтрацией в подземных сооружениях.

Подход к выбору методов натурных наблюдений за фильтрацией в зависимости от конкретных гидрогеологических условий и компоновочно-конструктивных особенностей сооружения представляет сложную задачу для специалистов, занимающихся исследованиями и проектированием подземных сооружений.

1.7.    Наступление аварийной ситуации в период длительной эксплуатации сооружения чаще всего бывает связано с локальным нарушением фильтрационной прочности и устойчивости фильтрующей среды. При этом в период, предшествующий аварии (или аварийной ситуации), развитие местного дефекта сравнительно слабо сказывается на контролируемых параметрах фильтрационного режима.

Поэтому независимо от общей тенденции к понижению вероятности аварий гидросооружений после периода их начальной эксплуатации нет оснований для сокращения объема фильтрационных наблюдений [10],

9

ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД НА ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И ВМЕЩАЮЩИЙ МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД

1.8.    Воздействие фильтрационных вод на подземные сооружения и вмещающий массив может проявляться в виде силового (механического) воздействия на массив породы и обделку сооружения при установившемся it неустановившемся режимах фильтрации, физико-химического воздействия на породу и материал конструкции, биологического воздействия на некоторые материалы конструкций, притока воды к сооружениям, трещино-образования и утечки воды из сооружения, изменения свойств горных пород и массивов.

1.9.    Силовое воздействие фильтрационного потока на скелет грунта (породу) порождается возникновением фильтрационных н взвешивающих сил, приложенных со стороны потока к скелету грунта. Эти силы являются массовыми (объемными). Они могут обусловить возникновение суффозии и кольматажа, местного фильтрационного выпора, а иногда даже обрушение больших масс породы из стен и кровли выработки. Следует отметить, что из всех нагрузок, действующих на напорные и безнапорные подземные сооружения, наименее изучено давление фильтрационных вод, которое в некоторых случаях оказывается главнейшей нагрузкой. Например, некоторые туннели Нурекской ГЭС заглублены под депрессионную поверхность подземных вод до 200 м, а Рогунской—до 350 м. Механическое действие воды является мощным, и в то же время трудно поддающимся прогнозированию. Фильтрационные (гидродинамические) силы, действующие в теле бетонной обделки сооружения в большинстве случаев условно принимаются как статические, приложенные нормально к поверхности контакта порода — бетон.

Особо важное значение силовое действие подземных вод приобретает при наличии в обделках стальных облицовок. Нередко скальный массив, окружающий напорный туннель со стальной облицовкой, способен воспринимать большую часть нагрузки от внутреннего давления воды, что позволяет выполнить облицовку достаточно тонкой даже при значительных диаметрах туннелей и напорах в них. В этих случаях определяющим становился расчет облицовки на внешнее давление воды, при значительной величине которого может появиться необходимость в увеличении толщины металлической оболочки или установке колец жесткости.

Недоучет давления подземных вод может привести к разрушению стальной облицовки при опорожнении водовода. Так, например, в наклонной напорной шахте ХрамГЭС-2 диаметром 3,3 м, имеющей на длине 280 м стальную облицовку, при ее опорожнении произошло повреждение облицовки от давления подземных вод. Зарубежный опыт эксплуатации имеет много при-