|
|
УДК 624.138:627.43(470.53)
ББК 26.3(2Рос-4Пер)
М 17
Максимович Н.Г.
М 17 Безопасность плотин на растворимых породах (на примере Камской ГЭС). /
Н. Г. Максимович. – Пермь: ООО ПС «Гармония», 2006. – 212 с.
Табл. 15, Ил. 60, Библ. 196 назв.
ISBN 5-88187-309-2
В монографии дается представление об особенностях строительства плотин, в основании которых залегают растворимые породы. Опыт строительства плотин в России, Австрии, Германии, Китае, США, Франции и других странах показывает, что отсутствие надежных мероприятий по защите таких пород от растворения может привести к трагическим последствиям.
Проблема безопасности плотин рассмотрена на примере действующей Камской ГЭС. Здесь в связи с начавшимся растворением гипса основания плотины производилось доуплотнение цементационной завесы щелочным щавелевоалюмосиликатным раствором. Анализируется влияние изменившихся фильтрационных параметров и геохимической обстановки на растворимость гипса и устойчивость плотины.
Издание предназначено геологам, геохимикам, студентам геологических и технических специальностей, а также широкому кругу специалистов в области гидротехнического строительства.
Редакционный совет серии «Избранные труды ученых Естественнонаучного института»: В.П. Бегишев (главный редактор), О.С. Кудряшова, Г.Г. Абашев.
Издание монографии осуществлено при финансовой поддержке Министерства промышленности и природных ресурсов Пермского края и Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пермский государственный Университет»
Рецензенты: Лаборатория охраны геологической среды Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; В.П. Хоменко, д-р геол.-мин. наук, главный научный сотрудник ОАО «Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве»; И.В. Семенов, канд. техн. наук, научный руководитель ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» РАО ЕЭС России.
ОБ АВТОРЕ
Максимович Николай Георгиевич
Окончил геологический факультет (1978) и аспирантуру Московского государственного университета. Кандидат геолого-минералогических наук (1984). Заместитель директора по научно-исследовательской работе и заведующий лабораторией геологии техногенных процессов ФГНУ «Естественнонаучный институт». Автор 311 научных работ, патентов, монографий, научно-популярных книг по проблемам инженерной геологии, гидрогеологии, экологии, техногенной геохимии, минералогии техногенеза, карстоведения и научной спелеологии. Участник крупных проектов, связанных с решением геологических и экологических проблем Курганской, Пензенской, Свердловской, Тюменской областей, Бурятии, Удмуртии, Пермского, Хабаровского и Красноярского краев, Ханты-Мансийского национального округа, Таджикистана.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО
ОТ АВТОРА
ВВЕДЕНИЕ
1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЙОНА СТВОРА КАМСКОЙ ГЭС
1.1. Геологическая характеристика района
1.2. Необходимость проведения дополнительных мероприятий по защите гипса от растворения
1.2.1. Эффективность работы противофильтрационных устройств
1.2.2. Изменение гидрогеологических условий после создания плотины
1.3. Доуплотнение цементационной завесы щавелевоалюмосиликатным раствором и схематизация постинъекционных условий
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОСТИНЪЕКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
2.1. Взаимодействие техногенных растворов с грунтом в ходе инъекции
2.2. Факторы, определяющие интенсивность постинъекционных процессов
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИЛИКАТНЫХ РАСТВОРОВ И ГЕЛЕЙ С МИНЕРАЛИЗОВАННЫМИ ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ
3.1. Основные свойства природных и искусственных силикатных водных растворов
3.2. Структура и свойства силикатных гелей
3.3. Исследования взаимодействия щавелевоалюмосиликатного золя с подземными водами
3.4. Исследование взаимодействия щавелевоалюмосиликатного геля с растворами электролитов
3.5. Формирование техногенных вод на участке завесы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОСТИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ С ГИПСОМ
4.1. Гипсоносные породы как основания плотин
4.2. Особенности взаимодействия гипса с растворами электролитов
4.3. Взаимодействие гипса с силикатсодержащими растворами
5. ВЛИЯНИЕ ПОСТИНЪЕКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА КАЧЕСТВО ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАВЕСЫ В ГИПСОНОСНЫХ ПОРОДАХ
5.1. Закономерности формирования техногенно-геохимических систем
5.2. Изменение фильтрационных параметров пород на различных этапах развития техногенно-геохимических систем
5.3. Влияние изменения качества завесы на устойчивость Камской ГЭС
ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПУБЛИКАЦИИ В РАЗВИТИЕ ПРОБЛЕМЫ
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
ХРОНОЛОГИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ТРУДОВ
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
СПИСОК ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАЗВАНИЙ
СПИСОК ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
SUMMARY
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО
Этой книгой мы открываем серию публикаций избранных трудов ученых Федерального государственного научного учреждения «Естественнонаучный институт» (ЕНИ) Федерального агентства по науке и инновациям. Институт был создан в 1921 г. С момента образования в нем работали выдающиеся ученые: профессора А.А. Заварзин, Б.Ф. Вериго, Д.М. Федотов, А.А. Рихтер, В.Н. Беклемишев, А.Е Генкель, А.О. Таусон, В.В. Никитин и др. Важной частью работы института всегда была издательская деятельность. Институт отправлял свои издания в 275 научных учреждений Европы, Америки, Австралии и Африки и 190 организаций СССР. В конце 2005 г. было принято решение начать выпуск серии трудов известных ученых ЕНИ.
Мы начинаем публикацию трудов с работы Н.Г. Максимовича «Безопасность плотин на растворимых породах (на примере Камской ГЭС)». Николай Георгиевич Максимович пришел в наш институт в 1978 г. сразу после окончания геологического факультета МГУ. С его появлением в институте начало активно развиваться геологическое направление. Специалист в области инженерной геологии и гидрогеологии он начинает активно заниматься экологическими проблемами. В 1989 г. им создана лаборатория геологии техногенных процессов, которая объединила специалистов, решающих фундаментальные и прикладные проблемы в области экологии, инженерной геологии, гидрогеологии, геохимии, нефтяной геологии, карстоведения, научной спелеологии и др.
С середины 90-х гг. Николай Георгиевич возглавляет крупные комплексные экологические проекты, связанные с уничтожением химического оружия, испытаний и ликвидации ракетной техники, разработкой месторождений нефти, угля, калийных солей, золота и алмазов и другими острыми экологическими проблемами. Широка география проводимых им исследований. Это республики Бурятия, Удмуртия, Красноярский и Хабаровский края, Владимирская, Курганская, Пензенская, Свердловская, Тюменская, Челябинская области, Ханты-Мансийский автономный округ, и естественно, Пермский край, где он участвовал при решении многих геологических и экологических проблем.
С 1997 г. Н.Г Максимович работает заместителем директора по научной работе ЕНИ. За время его работы значительно увеличились объемы научных исследований института, появились новые источники финансирования. Вьгрос коллектив института в значительной мере за счет прихода молодых специалистов. Расширилась международная деятельность. Значительные объемы работ института выполняются по контрактам, финансируемым правительством США (уничтожение химического оружия и ракет). Укреплены международные связи с Болгарией, Великобританией, Германией, Италией, Казахстаном, Канадой, Киргизией, Китаем, Литвой, США, Чехией, Южной Кореей, Японией и др. Буквально на днях подписан контракт на работы в Таджикистане в связи с возобновлением строительства Сангтудинской ГЭС.
Николай Георгиевич родился в семье ученых - геологов, известных во всем мире по работам, связанным с изучением карста. Очевидно, интуитивно понимая, что будет находиться в их тени, он стал искать свои пути в геологии. В отличие от родителей, занимающихся главным образом фундаментальными проблемами, он больше тяготеет к решению практических вопросов. Им подготовлено более 100 научно-производственных отчетов, имеет патенты, многие технические решения внедрены в практику. В последние годы наметилась положительная, на мой взгляд, тенденция к обобщению накопленного им многочисленного материала, о чем говорит и эта монография.
В ближайшее время мы продолжим публикацию трудов ученых старейшего в России научно-исследовательского института.
В.П. Бегишев,
директор ФГНУ «Естественнонаучный институт»,
профессор, доктор химических наук,
заслуженный деятель науки и техники РФ
ОТ АВТОРА
Решение опубликовать в полном объеме результаты работ, выполненных в основном в 80-е гг., посвященных безопасности плотин на растворимых породах, обусловлено несколькими причинами. Одна из них, которая натолкнула на эту мысль, - это интерес, проявленный к фрагментам этой работы, размещенной на сайте http://nsi.psu.ru/labs/gtp/publicat.html. Среди более 300 статей автора работы эти публикации, вызывают не меньший интерес, чем современные, посвященные экологическим аспектам инженерной геологии, гидрогеологии, геохимии. Большой интерес был проявлен к докладу, сделанному в 2005 г. в Болгарии на Международном симпозиуме «Стихийные бедствия последнего времени - проблемы, стоящие перед инженерной геологией, геотехникой и гражданской защитой», где в качестве примера был освещен опыт безопасной эксплуатации Камской ГЭС, стоящей на гипсоносных породах.
Другая причина публикации книги - некоторое оживление в последние годы гидротехнического строительства в России и республиках бывшего СССР, которое было фактически свернуто в 90-е гг. В сентябре 2005 г. начаты работы по достройке Рогунской ГЭС, в основании которой залегают растворимые породы. В этом же году состоялась официальная церемония начала реализация российско-таджикского проекта строительства Сангтудинской ГЭС-1. Эта ГЭС расположена на р. Вахш в 200 км к югу от г. Душанбе. Строительство станции началось в конце 1980-х гг., было выполнено 20 % необходимых работ, которые в начале 90-х гг. приостановлены из-за отсутствия финансирования. В районе станции широко развит карбонатный и сульфатный карст. Карстовые процессы могут существенным образом повлиять на параметры противофильтрационных элементов плотины, параметры производства цементационных работ и другие проектные и технические решения. Опыт Камской ГЭС может широко использоваться при строительстве Сангтудинской ГЭС, в связи с чем автор был привлечен к работам по этой плотине.
Еще одной причиной публикации материалов является вновь проявившийся интерес к химическому закреплению грунтов. Проблемы закрепления грунтов активно разрабатывались в 50 - 80-е гг. XX в. С 1958 по 1983 г. в Риге, Москве, Киеве, Тбилиси, Новосибирске, Ленинграде, Ташкенте, Ростове-на-Дону проведено десять всесоюзных совещаний по закреплению грунтов. В связи с ухудшением экономической ситуации и сокращением строительства в 90-е гг. развитие этого направления затормозилось. Однако очевидные преимущества химического закрепления, особенно при решении сложных геотехнических проблем, вновь привлекли внимание к этим методам. Очевидно, с этим же связано издание в 2005 г. С.Д. Воронкевичем после 20-летнего перерыва новой редакции учебника «Основы технической мелиорации грунтов», где, кстати, используются материалы работ автора.
Активная фаза исследований автора в области безопасности гидротехнических сооружений была завершена после решения проблемы с растворением гипса в основании Камской ГЭС и свертывания работ по строительству Нижне-Каферниганской плотины (Таджикистан), где также в основании залегают гипсы.
Все эти причины побудили автора опубликовать материалы, которые могут представлять интерес для современных исследований в области закрепления грунтов и гидротехнического строительства.
Автор благодарен сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии МГУ 3. А. Кривошеевой, Е. Н. Коломенскому, В. Н. Соколову, В. Г. Шлыкову, Н. А. Румянцевой, Е. В. Свешниковой, которые помогли выполнить специальные исследования, а также сотрудникам кафедр кристаллографии, геохимии, гидрогеологии МГУ, оказавшим содействие в выполнении работы. Искренне признателен автор С. Д. Воронкевичу, К. А. Горбуновой, Л. А. Евдокимовой, С. Н. Емельянову, Р. С. Зиангирову, Г. С. Золотореву, Н. А. Ларионовой, Л. А. Молокову, Е. Н. Огородниковой, В. И. Сергееву, И. П. Тейшовой, Т. Г. Шимко за советы и помощь в ходе выполнения работы. В техническом оформлении книги неоценимую помощь оказали С. В. Казакевич и А. В. Денисов, а также А. Купер (Британская геологическая служба, Великобритания), Н. В. Черемных и Е. А. Хайрулина.
ВВЕДЕНИЕ
Наличие в основании плотин растворимых пород создает условия для развития карста, что может привести к катастрофическим последствиям. Активизация карста в основании плотин может быть связана со специфическими причинами - увеличением трещиноватости вследствие фильтрационных деформаций, выветривания пород в процессе строительства. Определенную роль играет увеличение растворимости пород под действием нагрузки от сооружения. Растворение гипса и других солей, содержащихся в дисперсных породах, может повлечь за собой суффозионные явления. По нашим подсчетам гипс встречается в основании более чем 50 плотин. Каменная соль находится в основании Рогунской и Ну-рекской ГЭС на р. Вахш в Таджикистане.
Интенсивность растворения пород в том случае, если фильтрационный поток способен их растворять, определяется скоростью этого потока. Одним из способов снижения скорости фильтрации в основании гидротехнического сооружения является создание противофильтрационной завесы. В скальных трещиноватых породах такие завесы создаются путем инъекции цементных и глиноцементных растворов, которые позволяют снизить удельное водопоглощение до 0,1 - 0,05 л/мин. Более низкие значения получить не удается, ввиду того что цементные суспензионные растворы не могут проникать в трещины с раскрытием менее 0,1 мм. Как показала практика эксплуатации Камской ГЭС, в основании которой залегают гипсоносные породы, при таком остаточном удельном водопоглощении имело место растворение гипса, что привело к падению гашения напора на цементационной завесе на отдельных участках до 2 - 4 при проектной величине 33 %. Вследствие этого коэффициент устойчивости плотины на сдвиг вышел за критическую отметку.
Для повышения плотности противофильтрационных завес используются химические гелеобразующие растворы, которые обладают проникающей способностью, близкой по значению к воде. Такой раствор, называемый щавелевоалюмосиликатным, был разработан коллективом проблемной лаборатории геологического факультета МГУ для доуплотнения цемзавесы в основании Камской ГЭС. Раствор готовится из двух составляющих - силиката натрия и отвердителя, представляющего собой водный раствор сернокислого алюминия и щавелевой кислоты. В результате использования раствора удельное водопоглощение на завесе не превышает 0,005 л/мин. Это в свою очередь привело к увеличению гашения напора на завесе и повышению устойчивости плотин до безопасного уровня.
Использование химических реагентов для инъекционных работ поставило вопрос об их воздействии на растворимость гипса. Такое воздействие, помимо непосредственного контакта завесы с породой, происходит и за пределами зоны закрепления. Последнее вызвано тем, что при инъекции химических гелеобразующих растворов периферийная часть заканчиваемого объема разбавляется водой и не образует геля. Под действием фильтрационного потока эта часть раствора сносится за пределы завесы и претерпевает дальнейшее разбавление в ходе движения, в результате чего значительная площадь поверхности гипса контактирует с растворами различной степени разбавления. Кроме этого, на гипс воздействуют компоненты инъекционного раствора, переходящие в фильтрационный поток из геля под действием процесса диффузии.
В работе детально рассмотрено влияние изменившейся геохимической обстановки на растворимость гипса и фильтрационные параметры завесы и пород основания плотины, т.е. те факторы, которые в конечном счете определяют безопасность плотины.
Результаты применения щавелевоалюмосиликатного раствора на Камской ГЭС позволяют рекомендовать данный раствор для широкого применения при создании противофильтрационных завес в породах, содержащих гипс.
Гипсоносность пород по створу Камской плотины (по данным изысканий для строительства):
1 – песчано>галечные отложения русла и надпойменной террасы; 2 – аргиллиты, алевролиты с прослоями извест>
няков; 3 – известняки; 4 – доломиты; 5 – мергели; 6 – доломиты; 7 – мергели и доломиты с прослоями и линзами
гипса; 8 – доломиты; 9 – гипсы; 10 – ангидриты; 11 – среднее содержание гипса %
Геологический разрез основания Камской ГЭС [89]. P2ss – шешминский горизонт:
1 – аргиллиты, алевролиты с прослоями известняков; P2sl – соликамский горизонт: 2 – известняки,
3 – доломиты, 4 – мергели, 5 – мергели и доломиты с прослоями и линзами гипса, 6 – доломиты,
7 – доломиты глинистые; P1ir – иренский горизонт: 8 – гипсы, 9 – ангидриты
По вопросам приобретения книги обращайтесь:
ЕНИ ПГУ, лаборатория ГТП, mng@psu.ru, (342) 239-67-48
Maximovich N.G.
М17 Safety of dams on soluble rock (The Kama hydroelectric power station as an example) / N. G. Maximovich. - Perm: PS "Harmony", 2006. - 212 p. Table 15, II. 60, References 196.
This work details the technical aspects and problems of constructing hydraulic structures where soluble rocks are present in the foundations. Experience gained from dam construction in Russia, Austria, Germany, Chine, USA, France and other countries has shown that the lack of dissolution prevention in soluble rock foundations can lead to failure and tragic consequences.
The problem of dam safety has been carefully studied at the operating Kama hydroelectric power station. Because of gypsum dissolution in the dam foundations, additional grouting and solidification of the bedrock was undertaken using an oxaloaluminosilicate solution. The impact of these remediation techniques on the seepage properties and geochemical conditions for the dissolution of gypsum and dam stability are analyzed and presented.
This book is aimed at professionals employed in the field of hydrotechnical construction including geologists, geochemists and students of geology, engineering geology and civil engineering.
SUMMARY
The presence of soluble rocks, such as gypsum and rock-salt, in the foundations of hydraulic structures cause engineering geological conditions that are difficult and unfavorable for safe construction. In the former USSR, the total area of gypsum-bearing rock extends to about 5 million km2. Hydrotechnical construction in such soluble rock regions can create conditions of enhanced dissolution and karst development that can threaten the structures. Throughout the world there are examples where the dissolution of gypsum in dam foundations have resulted in tragic consequences. The failure of the St. Francis dam in California, USA, is one catastrophic example where 400 people perished as a result. Numerous problems are associated with dams on gypsum, these include settlement, cracking and seepage with the constant threat of failure or expensive remediation. For example, in the vicinity of Basel, on the Birs River, the dissolution of gypsum beds in the dam foundation caused settlement and cracking. Settlement was also observed on the San Fernando, Olive Hills, and Rattlesnake dams in California. Loss of water from reservoirs on gypsiferous rocks is common and seepages through the dam foundations were recorded on the Osa River (Angara basin), in Oklahoma and New Mexico (USA). Seepage and gypsum dissolution causes cavities to form and these features have been found in the foundations of the Hondo, Maximilian, and Red Rock dams, along with a dam in the Caverly valley, Oklahoma. Gypsum also occurs in the foundations of the San Loran dam in Catalonia, Poecos dam in Peru, and a number of dams in Iraq. In a number of cases, the presence of gypsiferous rocks resulted in the rejection of the dam site for construction, an example being the Saint Baume dam in Provence, which was found to be on gypsiferous marls. Surveys for the Rian dam in the vicinity of Alter Stolberg, south of Harz, stopped after gypsum was discovered in the foundation zone. Gypsum has been proved in the foundations of more than 50 dams and rock salt, which is more soluble, has been found in the foundations of others including the Rogunskaya and Nurekskaya dams on the Vahsh River in Tajikistan.
The rate at which the rock dissolves is dependent on the amount of seepage through the rock. One way to reduce this water movement is to create a grout curtain. In jointed rocks the grout curtains are created by injecting a cement or cement-clay grout that makes it possible to reduce the specific water seepage to 0.1-0.05 liter/min. Lower values cannot be obtained because cement suspension grouts cannot penetrate into cracks which are less than 0.1 mm wide. The operation of the Kama hydroelectric power station showed, that these residual cracks allowed water seepage and leaching of the gypsum to occur. This dissolution and increasing joint size caused a drop in the percentage reduction of head on the grout curtain in some zones to as little as 2-4% compared with a design value of 33%.
To increase the density of grout curtains made in finely jointed gypsiferous rocks, chemical gel-forming solutions with a penetration capability close to that of water have been recently introduced. One such solution, an oxaloaluminosilicate, was developed by the group at the Problem-Solving Laboratory, Geology Department, MSU. It was used for additional solidification of the grout curtain in the jointed gypsiferous rocks in the foundations of the Kama hydroenergetic power station. The solution comprises two components - sodium silicate with a density of 1.19 g/cm3 and a hardener. The complex hardener is an aqueous solution of aluminum sulfate and oxalic acid. As a result of using the oxaloaluminosilicate solution the specific seepage through the curtain does not exceed 0.005 liter/min. This improved the head reduction at the grout curtain and increased the dam stability to a safe level.
The use of chemical reagents for grouting raised the question of their effect on the stability of gypsum. Such an effect, in addition to the direct contact of the gel with the rock, occurs beyond the limits of the stabilization zone. This is because during injection the peripheral parts of the chemical gel-forming solutions are diluted with water to the extent that they cannot form a gel. The seepage carries these diluted chemicals beyond the limits of the curtain where during the movement they undergo further dilution. Consequently, solutions of variable dilutions are brought into contact with a large surface area of the gypsum rock. Components of the injection solution also pass from the gel grout into the seepage flow by diffusion and these can impact on the gypsum.
It was established that solutions containing components of the oxaloaluminosilicate formulation have a beneficial effect on interacting with gypsum. Not only do the chemicals not dissolve the gypsum, but they also form a protective surface film of calcium oxalate and calcium hydrosilicates that are difficult to dissolve; these films protect the gypsum from dissolution.
The use of the oxaloaluminosilicate solution for the additional solidification of the rocks in the foundations of the Kama hydroelectric power station has been beneficial. This experience allows the recommendation of this solution for widespread use for making grout curtains in finely jointed rocks containing gypsum.
A further study of the neoformations being formed by seepage of the oxaloaluminosilicate and silicate solutions (especially at large dilutions), suggests that these solutions could be used as prospective additives to clay, clay-cement, and cement grouts when stabilizing gypsiferous rocks.
For ordering information, please contact mng@psu.ru
|
|
| |
|
