П 55-90
-----------
ВНИИГ

МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ ГЕОСТРУКТУРНЫХ СХЕМ (МОДЕЛЕЙ)
СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ В ОСНОВАНИЯХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

Пособие к СНиП 2.02.02-85

Срок введения III кв. 1991 г.

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

УТВЕРЖДЕНА ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева решением N 21 от 6 ноября 1990 г.

Работа содержит методику (и ее обоснование) выделения в скальном массиве объемных инженерно-геологических элементов, а также примеры построения геоструктурных схем (моделей) оснований сооружений.

Методика базируется на представлениях о трещиноватых скальных породах в массивах, служащих основаниями или средой размещения крупных инженерных сооружений, в общем случае как о дискретной, неоднородной и анизотропной среде зонально-блочного строения. При этом учитывается, что изменчивость минерального состава, структуры, текстуры, состояния и свойств пород определяется их генезисом, историей и закономерностями формирования, развития и дезинтеграции горных пород во времени.

Методика составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева и предназначена для инженеров-геологов, геомехаников, гидрогеологов, геофизиков, проектировщиков, занимающихся обоснованием гидротехнического, гражданского и шахтного строительств.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование и строительство крупных инженерных сооружений, в том числе гидротехнических (энергетического, транспортного, водохозяйственного и ирригационного назначения), особенно в горных районах с повышенной сейсмической активностью и сложным геологическим строением, требуют надежного инженерно-геологического обоснования проектных решений, базирующихся на расчетах прочности и устойчивости системы сооружение - основание. Для проведения расчетов или физического моделирования этих систем необходима инженерно-геологическая схема (модель) основания, содержащая информацию о структуре массива (геоструктурная модель) и физико-механических свойствах среды (модели свойств) с соответствующей для расчетов и экспериментов степенью упрощения (схематизации), но без нарушения принципиальных особенностей среды.

Геоструктурная модель основания отражает состав, структуру и состояние массива. По форме она представляет собой систему разрезов и карт, на которых выделены контуры квазиоднородных инженерно-геологических элементов. Геоструктурная модель составляется на основе результатов инженерно-геологических изысканий и исследований скальных массивов комплексом методов: геолого-съемочных, геофизических, горно-буровых, полевых и лабораторных исследований состава и свойств пород. Представляется, что в программе инженерно-геологических изысканий необходимо предусматривать целенаправленные геоструктурные исследования для участков основных сооружений, обеспечивающие составление с требуемой детальностью расчетных схем и моделей систем основание - сооружение.

В настоящее время общепризнано, что любой скальный массив как основание инженерного сооружения (будучи расчлененным нарушениями сплошности разного генезиса, в том числе экзогенными трещинами выветривания и разгрузки) - в общем случае дискретная, неоднородная и анизотропная среда зонально-блочного строения. Концепция о зонально-блочном строении скальных массивов разрабатывалась одним из старейших инженеров-геологов нашей страны А.М.Гуреевым, начиная с шестидесятых годов [18-22]. Под его руководством созданы геоструктурные модели оснований: Кассебской (Тунис), Токтогульской, Красноярской, Ингурской, Саяно-Шушенской, Могилев-Подольской, Нурекской ГЭС, Стрыйского гидроузла и др. Подавляющая часть этих разработок в виде фондовых материалов использовалась для расчетов и экспериментального моделирования, в частности, на уникальной большой геомеханической модели скального основания арочной плотины Ингури ГЭС в масштабе 1:150. Эта модель, созданная и исследованная во ВНИИГе канд. техн. наук Антоновым С.С. на геоструктурной основе (А.М.Гуреев, И.С.Брюн), была сложена из прямоугольных и треугольных призматических блоков двенадцати типоразмеров, число которых превышало 300 тысяч. Однако все эти разработки ВНИИГа по методике геоструктурного моделирования до настоящего времени не были обобщены и изданы в виде нормативно-методического документа.

В последние годы во ВНИИГе были разработаны модели оснований и выполнены модельные исследования надежности систем основание - сооружение для важнейших отечественных гидроузлов, в том числе: Рогунского, Колымского, Бурейского, Богучанского, Тельмамского и др. (В.С.Владимирский, Н.М.Карпов, А.А.Никитин и др.). О некоторых из них сказано в Приложении 6 настоящей Методики.

Параллельно с работами ВНИИГа инженерно-геологическое моделирование скальных массивов развивалось другими исследователями в нашей стране (А.А.Варга, В.В.Каякин, А.В.Количко, А.Г.Лыкошин, Л.С.Мирошникова, Н.Ф.Новиков, И.А.Пирогов, М.В.Рац, С.Б.Ухов, С.Н.Чернышев и др.) и за рубежом (Л.Мюллер, Ф.Пахер, Дж.Стини, У.Крамбейн и Ф.Грейбилл и др.).

Настоящая Методика подготовлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии А.М.Гуреевым, О.К.Воронковым, И.С.Брюном, В.С.Владимирским.

Научное редактирование выполнено Д.Д.Сапегиным и Н.Ф.Кривоноговой.

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. Авторы благодарят А.А.Варгу, Н.М.Карпова, Н.Ф.Кривоногову, А.П.Митрофанова, И.А.Пирогова, Д.Д.Сапегина, способствовавших своими советами и помощью выполнению данной работы.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящей Методикой целесообразно руководствоваться при составлении геоструктурных моделей (ГСМ) скальных массивов как основы для построения частных (специализированных) моделей их физико-механических свойств (деформационных, прочностных, фильтрационных и т.д.). Комплекс ГСМ и специализированных моделей образует инженерно-геологическую модель скального основания (рис.1) (по [49] с дополнениями). Методику можно использовать также: а) при обработке, интерпретации и обобщении материалов изысканий и исследований скальных и полускальных оснований плотин, туннелей, камер подземных ГЭС и т.д.; б) при составлении расчетных схем работы системы сооружение - основание; в) при разработке проектов физических моделей основания (геомеханических, гидравлических, фильтрационных); г) при разработке проектов специальных видов исследований массива: геофизических, геомеханических, опытно-фильтрационных и др.

Группа вспомогательных моделей

Группа прикладных (специализированных) моделей

Рис.1. Принципиальная схема инженерно-геологической модели основания гидротехнического сооружения

Примечания: 1. Основные положения методики составления ГСМ скальных массивов в основаниях гидросооружений применимы для инженерно-геологического обоснования проектов любых крупных инженерных сооружений.

2. При пользовании положениями настоящей Методики следует также соблюдать требования СНиП на проектирование оснований сооружений (2.02.02-85, II-7-81), на инженерные изыскания (1.02.07-87*), ГОСТ 20522-75**, 25100-82*** и других общесоюзных и ведомственных нормативно-методических документов, относящихся к вопросу инженерно-геологического изучения скальных оснований сооружений и массивов.

________________

* Действует СНиП 11-02-96;

** Действует ГОСТ 20522-96;

*** Действует ГОСТ 25100-95, здесь и далее. - Примечание изготовителя базы данных.

3. Рис.1 содержит необходимый перечень инженерно-геологических аспектов изучения скального основания и последовательность анализа материалов изысканий. Приведенный здесь набор частных моделей не является обязательным во всех случаях. Как правило, для решения основных задач проектирования достаточно ограничиться моделями деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик свойств.     

Основные понятия, принятая терминология, условные обозначения и единицы измерения

1.2. Геоструктурная модель (ГСМ) характеризует пространственное распределение (в том числе: условия залегания, структурно-петрологические особенности, структурно-тектонические и стратиграфические взаимоотношения) инженерно-геологических элементов массива - однородных или квазиоднородных по своим физическим свойствам.

Инженерно-геологический элемент (ИГЭ) - некоторый объем грунта одного и того же номенклатурного вида при выполнении одного из условий: 1) характеристики грунта изменяются в пределах ИГЭ незакономерно; 2) существующая закономерность в изменении характеристик такова, что ею можно пренебречь (ГОСТ 20522-75).

В качестве инженерно-геологических элементов скального основания (на разных масштабах изучения) могут выступать:

а) структурно-петрологические зоны (СПЗ) и блоки (СПБ) (каждый из этих элементов квазиоднороден по составу и строению);

б) инженерно-геологические зоны (ИГЗ) и блоки (ИГБ) (каждый из этих элементов квазиоднороден по составу, строению, состоянию и свойствам пород в массиве);

в) элементарные породные блоки (ЭПБ) и разделяющие их элементарные зоны ослабления или трещины (ЭПЗ) (каждый из этих элементов квазиоднороден по составу, строению, состоянию, а их свойства идентичны свойствам образцов ненарушенного сложения, находящихся в одинаковом напряженном состоянии с ЭПБ и ЭПЗ в массиве).     

Литолого-структурные элементы массива

Слоек - элементарная единица слоистости горной породы, литологически однороден; мощность =(1010) м.

Прослой (прослоек) - тонкий слой, заключенный между основными слоями; может подразделяться на слойки; литологически однороден; =(1010) м.

Слой - тело плоской формы, однородное по литологическим особенностям; подразделяется на прослои; =(101) м.

Пласт - геологическое тело плоской формы, мощность которого во много раз меньше линейных размеров площади его распространения, а в подошве и кровле его развиты трещины напластования. Обычно литологически однороден и может состоять из слоев и прослоев; блокообразующими трещинами пласт расчленен на ЭПБ; =(1010) м.

Пакет пластов - совокупность пластов осадочных или метаморфических парапород, однотипных по составу, ограниченных разрывами или прослоями другого состава; =(110) м.

Пачка слоистых пород - ограниченная прослоями совокупность однородных слоев, характеризующихся общностью фациально-литологических признаков; =(110) м.

Комплексы магматических пород и ортопород - совокупность сменяющих друг друга разновидностей пород, связанных общностью происхождения и различающихся по текстурным и структурным особенностям; разделяются на пакеты пластов; =(1010) м.

Свита слоистых или расслоенных метаморфических пород - совокупность пород, выделяемых по фациально-литологическим признакам; имеет четкие стратиграфическое и географическое наименования; может подразделяться на подсвиты или пачки однотипных пород, ритмы разного масштаба флишоидного или флишевого типа; =(1010) м.

Расслоенность толщ магматических пород и метаморфических ортопород - чередование в разрезе различных по минеральному составу, структуре, текстуре пород, вызванное различными процессами дифференциации магмы; =(1010) м.

Слоистость толщ осадочных пород и метаморфических парапород - чередование в разрезе слоев различной мощности, параллельных друг другу; различают: градационную, ритмичную, флишоидную, флишевую и др.; =(101) м.

Толща пород - совокупность одного или нескольких генетических типов пород, характеризующихся некоторой общностью входящих в нее пород (в частности, фациальным единством) или характером их чередования в разрезе; =(1010) м. С прочими терминами, встречающимися в Методике, при необходимости можно ознакомиться по справочникам и словарям [14, 15, 70].

1.3. В Методике используются следующие физические величины:

- мощность (слоя, пласта, пачки и др.), м;

- координаты пространства: - вертикальный компонент; - горизонтальный (запад - восток); - горизонтальный (север - юг);

- напряжение и его составляющие: - вертикальная, - горизонтальная (минимальное значение), - горизонтальная (максимальное значение);        

- азимут простирания, град;

- азимут падения, град;

- угол падения, град;

- расстояние (шаг) между параллельными трещинами одной системы, см, м;

- ширина раскрытия трещины, мм, см;

- длина трещины, см, м;

- длина "мостиков" (целиков) между концами параллельных и кулисных трещин, м;

- "угол встречи" (угол между направлением разреза и простиранием системы трещин), град;