П 54-90
-----------
ВНИИГ

     
МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ
МОДЕЛЕЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ
В ОСНОВАНИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(Пособие к СНиП 2.02.02-85)

     

Срок введения I кв. 1992 г.

ВНЕСЕНА Всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом гидротехники им. Б.Е.Веденеева

УТВЕРЖДЕНА ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева решением N 20 от 6 ноября 1990 года.

Методика базируется на представлении о трещиноватых скальных массивах, служащих основаниями крупных инженерных сооружений, как о дискретной, неоднородной и анизотропной среде зонально-блочного строения.

Работа включает обоснование и методику анализа данных опытно-фильтрационных полевых работ и их интерпретацию при распространении на пространство скального массива в форме масштабно-понятийных моделей водопроницаемости.

Составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева.

Предназначена для инженеров-геологов, гидрогеологов, проектировщиков, занимающихся обоснованием гидротехнического строительства.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Строительство гидротехнических сооружений в сложных инженерно-геологических условиях повысило требования проектирования к качеству изысканий и исследований оснований. Для обоснования проектов противофильтрационных и дренажных устройств необходимо знать распределение характеристик водопроницаемости (коэффициента фильтрации и удельного водопоглощения) в основании плотины, т.е. создать модель водопроницаемости*.

_______________

* Ряд авторов именуют ее "фильтрационной моделью", а также "моделью фильтрационных свойств". По-видимому, "фильтрационная модель" должна быть более информативной, т.е. помимо параметров водопроницаемости включать распределение в массиве значений критической скорости движения воды в трещинах, критического градиента напора, упругой и гравитационной водоотдачи и др.

Необходимость в методике ее составления определяется еще до сих пор бытующим, недостаточно системным подходом к интерпретации данных о водопроницаемости оснований плотин без учета структурной неоднородности и анизотропии скальных массивов. При этом фильтрационные разрезы независимо от структуры основания, представляются слоистыми (с границами приблизительно параллельными дневной поверхности), т.е. учитывают лишь разную степень экзогенного изменения пород. Такое упрощение реальной картины нередко приводит к нежелательным последствиям - изменениям в проектах, ошибкам в определении объемов цементационных работ или осложнениям в эксплуатации гидроузлов.

Во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, начиная с 1967 г., под руководством А.М.Гуреева разрабатывалась методика обобщения материалов гидрогеологических исследований на геоструктурной основе. Методика апробирована при исследованиях оснований Саяно-Шушенской, Красноярской, Колымской, Могилев-Подольской, Ингурской, Чарвакской ГЭС, Константиновского, Стрыйского гидроузлов и др., в том числе при моделировании методом ЭГДА на плоских разнородно-проницаемых электрических моделях.

Сходный методический подход по данному разделу инженерно-геологического моделирования развивался в Гидропроекте В.В.Каякиным и А.И.Каякиной (Токтогульский, Курпсайский, Чарвакский гидроузлы, плотина Папанского водохранилища) [29].

Различным вопросам фильтрационного моделирования скальных оснований посвящены работы Г.М.Ломизе, М.В.Раца, С.Н.Чернышева, Л.А.Ароновой, В.Н.Жиленкова, Л.Н.Павловской, А.В.Андрианова, В.3.Чечота, А.К.Мастицкого и др. Однако до настоящего времени отсутствовало методическое пособие по построению моделей водопроницаемости.

В настоящей работе с позиции дискретного (зонально-блочного) строения скальных массивов изложена методика составления моделей водопроницаемости скальных оснований плотин. Показаны способы выявления зон сосредоточенной фильтрации и суффозионного выноса фильтрационным потоком заполнителя трещин и карстовых полостей. Изложены общие предпосылки возникновения и развития суффозии в скальных массивах. Показана возможность использования гидравлических данных, полученных при строительстве противофильтрационных завес, для уточнения модели водопроницаемости.

Методика составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГа А.М.Гуреевым, М.С.Кравец, О.К.Воронковым.

В подготовке работы к изданию принимал участие И.С.Брюн. В анализе материалов на конкретных объектах участвовали Л.И.Антонова (Саяно-Шушенский, Константиновский, Ингурский гидроузлы), М.П.Леонов, Т.В.Моисеенко, С.М.Румянцева (Чарвакский гидроузел)

Научное редактирование выполнено зав. лабораторией инженерной геологии и геокриологии канд. геол.-мин. наук Н.Ф.Кривоноговой и зав. лабораторией фильтрационных исследований доктором техн. наук В.Н.Жиленковым.

При составлении Методики были учтены замечания и предложения ряда организаций: Гидропроекта им. С.Я.Жука, ЛГТУ, Ленгидропроекта, а также специалистов ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева.

При подготовке данной редакции использованы советы и замечания В.Н.Жиленкова, Г.В.Катульского, Н.Н.Кондратьева, Н.Ф.Кривоноговой, В.М.Лебедева, Л.Н.Павловской, И.А.Пирогова, Л.Ф.Фурсова, Н.И.Шевченко.

Замечания и пожелания просьба направлять во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21, отдел оснований и грунтовых сооружений.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Область применения

1.1. Настоящей Методикой целесообразно руководствоваться при:

- инженерно-геологических изысканиях, гидрогеологических исследованиях;

- анализе и обобщении данных опытно-фильтрационных работ;

- разработке моделей водопроницаемости, необходимых для проектирования подземного контура высоконапорных плотин, расчетов фильтрационных расходов, расчетов местной фильтрационной прочности, обоснования параметров противофильтрационных и дренажных устройств, конструкций, проектирования цементационных завес и определения ожидаемого поглощения цемента.

Методика может использоваться также для построения физических моделей с целью фильтрационных исследований (методом электрогидродинамических аналогий - ЭГДА и др.) при определении основных параметров фильтрационного потока: градиентов напора в теле цементационной завесы, градиентов напора на выходе фильтрационного потока в дренаже и в нижний бьеф, противодавления на подошву плотины, фильтрационных расходов, формы и параметров фильтрационного потока в береговых примыканиях и др.

Примечания: 1. Настоящая Методика может быть использована также при:

изысканиях и исследованиях скальных и полускальных оснований сооружений тепловых и атомных электростанций, транспортных сооружений;

- изучении массивов в связи с проведением горных работ;

- изучении подземных горных выработок;

- проектировании и разработке карьеров и других подобных объектов.

2. При использовании настоящей Методики следует также соблюдать требования СНиП на проектирование оснований гидротехнических сооружений (2.02.02-85), на инженерные изыскания для строительства (1.02.07-87*), ГОСТ 25100-82** и другие общесоюзные и ведомственные документы, относящиеся к вопросам инженерно-геологических изысканий и исследований.

________________

* На территории Российской Федерации действуют СНиП 11-02-96. - Примечание изготовителя базы данных.

** На территории Российской Федерации действует ГОСТ 25100-95. Здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.     

3. Настоящая Методика не рассматривает вопросы фильтрационных расчетов оснований и экспериментального моделирования методом ЭГДА (см. СНиП 2.02.02-85 и Пособие к СНиП II 16-76) [49].

4. Настоящая Методика не рассматривает вопросы фильтрационного моделирования многолетнемерзлых скальных оснований, но применима к таликовым зонам области многолетней мерзлоты.

1.2. Важнейшими характеристиками водопроницаемости, рассматриваемыми в Методике, являются:

удельное водопоглощение породы (л/мин·м·м) - расход (в литрах за 1 минуту) нагнетаемой в скважину воды, отнесенный к интервалу длиной 1 м и к напору, равному 1 м столба воды; общепринята упрощенная запись размерности - л/мин;

коэффициент фильтрации (м/с или м/сут) - скорость фильтрации через единицу поперечного сечения грунта при гидравлическом градиенте (), равном единице ( - разность напоров; - длина пути фильтрации).

Между величинами и существуют тесные корреляционные связи (). В практике инженерно-геологических изысканий скальных оснований допустимо принимать примерное равенство численных значений (л/мин·м) и (м/сут). По данным В.М.Насберга, в различных массивах пород основной диапазон изменения отношения .

1.3. Массивы скальных пород характеризуются широким диапазоном изменения водопроницаемости: 1010 л/мин. Различие величин до 5-6 порядков встречается в пределах одного массива. Например, монопородный (гранитный) массив участка Колымского гидроузла характеризуется значениями =0,0011270 л/мин. Большой разброс величин в одном и том же массиве объясняется наличием редких, но широко раскрытых трещин. При этом длина опытных интервалов (обычно 5-10 м) сопоставима с расстояниями между крупными трещинами. Точность единичного определения характеристики водопроницаемости оценивается предельными ошибками порядка 40% (метрологические - 2030%, методические - 1012%) [23]. Классификация скальных оснований по водопроницаемости приведена в табл.1 (СНиП 2.02.02-85).

Таблица 1

1.4. В Методике используется следующая терминология.

Водопроводимость - фильтрующая способность отдельных элементов скальных массивов: пластов, зон, отдельных трещин и т.д., выраженная через произведение коэффициента фильтрации этого элемента на его мощность. Для пакетов или пачек пластов, состоящих из пород с различными коэффициентами фильтрации, водопроводимость пакетов или пачек будет равна сумме произведений коэффициентов фильтрации на мощность каждого из пластов, образующих пакет или пачку пород.

Водопроницаемость - свойство грунта, заключающееся в способности среды пропускать сквозь себя воду (основное фильтрационное свойство горных пород в массиве или в образце).

Водоупор - практически водонепроницаемый слой грунта, подстилающий водопроницаемое основание плотины.

Дарси - проницаемость, при которой на длине пути фильтрации 1 см по направлению струи через породу с поперечным сечением 1 см и перепаде давления 0,1 МПа в течение 1 с проходит 1 см жидкости вязкостью в 1 сантипауз.

Действительная скорость фильтрации - средняя скорость движения жидкости в открытых порах и трещинах (пустотах) среды, т.е. расход фильтрационного, потока, отнесенный к действительной площади только фильтрующего сечения (площади всех пустот).

Ламинарная фильтрация - движение фильтрующей жидкости со скоростью, линейно зависящей от градиента напора.

Механическая суффозия - размыв грунта фильтрационным потоком, проявляющийся в виде отрыва и перемещения отдельных его частиц и агрегатов грунта внутри полостей, пор, каверн и трещин.

Модель - абстрактное (понятийное) или вещественное отображение объектов или процессов, адекватное исследуемым объектам (процессам) в отношении некоторых заданных критериев.

Модель гидрогеологическая скального массива - пространственное распределение гидрогеологических характеристик массива (коэффициентов фильтрации, удельных водопоглощений, скоростей фильтрации, дебитов, напоров, минерализации, химического состава, температуры подземных вод и т.п.), представленное в виде системы вертикальных и горизонтальных сечений скального массива, а также вспомогательных схем, диаграмм и др.

Модель водопроницаемости скального массива - составная часть гидрогеологической модели, характеризующая распределение значений коэффициента фильтрации или удельного водопоглощения.

Модель инженерно-геологическая - комплекс моделей, включающий группы: а - основной модели (геоструктурной - строения и состояния массива); б - вспомогательных моделей (литолого-петрологической, структурно-тектонической, экзогенного изменения пород, геофизической, напряженного состояния массива); в - прикладных или специализированных моделей: свойств, природных процессов, взаимодействия массива с сооружением.

Подземный контур бетонного напорного сооружения - условная линия, ограничивающая снизу водонепроницаемые части сооружения и противофильтрационные конструкции, и отделяющая эти части от водопроницаемого грунта, служащего его основанием.

Пористость общая скальной породы в образце и в массиве - совокупность всех пор и трещин (исключая трещины с минеральным заполнителем типа кварца, кальцита и др.), численно равная объему всех пор и трещин в единице объема породы.

Путь сосредоточенной фильтрации - участок горных пород, проводящий через себя значительный объем фильтрационного расхода воды данного (рассматриваемого) скального массива.

Скорость фильтрации - воображаемая (условная) скорость движения фильтрующейся в грунте жидкости, равная отношению ее расхода в данном живом сечении к полной площади этого сечения.