Лаборатория геологии техногенных процессов
Максимович Н.Г. Особенности строительства промышленных объектов на химически активных искусственных грунтах // Новые конструктивные и технологические решения устройства оснований и фундаментов для условий Урала: Тез. докл. обл. науч.-практ. конф.- Свердловск, 1987.-С.25-26. /0,12/
Оценка состояния оснований плотин на растворимых породах
Н. Г. Максимович
Возрастание масштабов строительства приводит к необходимости освоения территорий, неблагоприятных в инженерно-геологическом отношении, в том числе при наличии в разрезе растворимых пород, таких как известняки, гипс, ангидрит, каменная соль. Особое внимание к вопросам надежности оснований инженерных объектов в таких условиях требуется при строительстве гидроузлов. Возведение водоподпорных сооружений и создание водохранилищ может привести к изменению гидродинамического режима, появлению в массиве пресных вод, способных растворять породы. Возникают условия для развития или интенсификации карста, что ставит под угрозу существование плотины. Активизация карста может быть связана также с увеличением трещиноватости пород вследствие фильтрационных деформаций, выветривания пород в процессе строительства [13].
К настоящему времени накоплен опыт и успешно ведется строительство плотин с карстующимися карбонатными породами в основании [6]. Плотин, содержащих в основании более растворимые породы — гипс и ангидрит, значительно меньше. Уникальной является строящаяся в настоящее время Рогунская плотина, в основании которой залегает каменная соль. Анализ литературных данных по более чем 30 плотинам, содержащим в основании гипс, показывает, что возникающие проблемы не всегда находили удовлетворительное решение [10]. В зарубежной практике известны случаи катастроф, аварий, отказа от строительства при обнаружении в разрезе гипса. В СССР в настоящее время появились сложности на действующих и строящихся плотинах, таких как Камская, Рогунская, Ирганайская, Нижне-Кафирниганская, в основании которых залегает гипс.
Безопасность эксплуатации плотин на растворимых породах во многом определяют обоснованный выбор мероприятий по защите пород от растворения, контроль за их работой, а также организация наблюдений за развитием физико-химических процессов в основании плотны.
Выбор мероприятий по защите пород от растворения направлен на предотвращение условий для развития карста, к которым относятся: 1) наличие растворимых пород, 2) проницаемость для воды этих пород, 3) наличие движущейся воды, 4) агрессивность воды по отношению к породам [7]. К мероприятиям по устранению первого условия относится выемка растворимых пород из основания сооружения и замена их нерастворимыми. Замена грунта как один из вариантов рассматривался в связи со строительством Рогунской ГЭС. Растворимые породы могут быть изолированы от воздействия на них воды созданием на поверхности пород нерастворимых пленок. Однако такой способ пока не нашел практической реализации [5] .
Ликвидация других условий развития карста — проницаемости пород и движущейся воды — возможна тампонированием пород и созданием противофильтрационвых завес. Для максимального снижения проницаемости при создании завес методом инъекции наряду с традиционными цементными растворами в последнее время применяются химические, обладающие более высокой проникающей способностью. Рассматривались также проекты создания мерзлотных [18] и гидравлических завес [15].
Уменьшение агрессивности воды (4-е условие развития карста) достигается различными способами. Например, при строительстве Камской ГЭС предлагалось отсыпать в верхнем бьефе сульфат кальция, чтобы фильтрующиеся из водохранилища воды насыщались этим компонентом [16]. Такое мероприятие предусмотрено на проектируемой Нижне Кафирниганской плотине. На Рогунской ГЭС предлагается создание солевой завесы — внедрение в основание плотины через скважины насыщенного раствора соли [14]. Агрессивность вод на Камской ГЭС пытались снижать с помощью вертикального дренажа-путем перехвата пресных подземных вод, движущихся к основанию плотины [12]. Агрессивность вод снижается также при удлинении путей фильтрации пресных вод с таким расчетом, чтобы происходило их насыщение. Это достигается, например, созданием понуров.
Как показывает практика, надежная защита пород от растворения может быть обеспечена комплексом мероприятий. В этом отношении значительный опыт накоплен на Камской ГЭС, где применены различные виды защиты гипса от растворения, которые оказались не в одинаковой степени эффективны. Следует отметить, что на этой ГЭС ведутся многолетние режимные гидродинамические и гидрохимические наблюдения, что позволяет проследить техногенные изменения в основании плотины.
В зону влияния Камской ГЭС входят пермские отложения (сверху вниз); шешминский горизонт, представленный переслаивающимися аргиллитами, алевролитами, песчаниками; соликамский горизонт, сложенный карбонатными породами с содержанием гипса до 35 %. Ниже залегают гипсы и ангидриты иренского горизонта, являющиеся региональным водоупором. В основании ГЭС выделяют три водоносных горизонта: шешминсний, для которого характерны гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные воды с минерализацией 0,4—2 г/л; верхнесоликамский с сульфатными и хлоридно-сульфатными водами (1,5—3,5 г/л) и нижнесоликамский, воды которого представляют собой сероводородные рассолы с минерализацией до 80 г/л [11, 16].
Основные противофильтрационные мероприятия, предусмотренные проектом; создание водонепроницаемого понура в верхнем бьефе протяженностью 110 м, цементационной завесы, в начале понура и вертикальный глубинный дренаж примерно в его середине. Включение дренажа в начале 60-х годов показало, что основная его цель — перехват опресненных вод — не достигается. Возникли опасения, что появившиеся признаки растворения гипса в той или иной степени связаны с увеличением фильтрационного расхода в породах основания, вызванного работой дренажа. Поэтому было принято решение его законсервировать. Цементационная завеса оказалась малоэффективной, поскольку тонкотрещиноватые породы плохо поддаются цементации. За 20 лет эффективность ее уменьшилась, появились признаки выщелачивания гипса [11]. В этой ситуации было принято решение об уплотнении завесы гелеобразующим щавелевоаллюмосиликатным (ЩАС) раствором, разработанным С. Д. Воронкевичем, Л. А. Евдокимовой [1]. Раствор готовится на основе силиката натрия плотностью 1,19 г/см3 и отвердителя, представляющего собой раствор сернокислого алюминия (50 г/л) и щавелевой кислоты (50 г/л). В результате выполненных работ возросли перепады напоров на завесе в 1,5—5 раз, увеличилась устойчивость плотины на сдвиг.
Существенное изменение гидродинамической обстановки после доуплотнения завесы, а также геохимических условий, вызванных использованием химически активного инъекционного раствора, потребовало надежных методов оценки сохранности гипса в основании плотины. Выявление процессов растворения возможно, во-первых, по изменению химического состава подземных вод, во-вторых, по изменению проницаемости пород. Эти процессы изучались по трем основным направлениям: исследование закономерностей формирования техногенных вод, выявление их влияния на химическую устойчивость гипса, количественная оценка изменения фильтрационных параметров пород основания плотины. Для этого анализировались данные натурных наблюдений, выполнен комплекс лабораторных исследований, проводилось математическое моделирование фильтрации на ЭВМ.
Для оценки влияния на гипс техногенных вод необходимо было прежде всего выяснить закономерности их формирования. После доуплотнения завесы такие воды образуются под действием трех факторов: гидродинамической, дисперсии раствора в ходе инъекции, химических процессов в зоне разбавления и встречной диффузии компонентов при контакте геля с подземными водами.
При изучении закономерностей процессов, происходящих при смешивании ЩДС золя с подземными водами, в лабораторных условиях приготовлялись смеси золя с подземными водами различных гидрохимических типов, отобранных в основании Камской ГЭС, и растворами индивидуальных солей. Установлено, что при больших разбавлениях объемный гель не образуется, в смесях за счет взаимодействия происходит снижение концентрации как кальция и магния, так и компонентов инъекционного раствора.
Проводилось исследование диффузии компонентов жидкой фазы геля в растворы солей и подземные воды, а также выявлялось изменение состава и структуры гелей. Для этого прослеживалось изменение во времени состава контактирующих подземных вод. Показано, что вследствие диффузии из раствора в гель ионов кальция и магния происходит гелеобразование интермицеллярной жидкости геля, содержащей неотвержденный силикат натрия, и хемсорбция этих ионов на поверхности скелета геля. Эти процессы приводят к существенному уплотнению и упрочнению геля, увеличивают его химическую устойчивость [9]. При этих процессах осаждается значительная часть кремнезема, щелочи, оксалат-иона внутри геля, что затрудняет их выход в контактирующий раствор. Определение общего количества компонентов геля, переходящих в различные растворы, показало, что, например, в раствор сернокислого кальция (1,4 г/л) выносится кремнезема в 5,2 раза, щелочи в 12,8 раз, оксалат-иона в 40 раз меньше, чем в дистиллированную воду [8] .
Результаты лабораторных исследований согласуются с данными многолетних натурных гидрохимических наблюдений. Техногенные компоненты не фиксируются в пробах воды уже вскоре после завершения инъекции. Вместе с тем наблпдается снижение в водах концентрации кальция и. магния сразу после инъекции и медленное ее восстановление, это дает основание утверждать, что эти ионы поглощаются гелем.
Таким образом, техногенные компоненты неустойчивы в условиях минерализованных вод основания Камской ГЭС. Они быстро осаждаются и играют ограниченную роль в формировании химического состава вод. Эти компоненты короткое время могут существовать в непосредственной близости от завесы.
После выявления обоих закономерностей формирования техногенных вод изучалось их воздействие на химическую устойчивость гипса. На базе проведенных ранее исследований [2, 17] была выполнена серия экспериментов. Образцы гипса заливались растворами, содержащими отдельные компоненты ЩАС золя и их смеси, и в течение 180 суток велось наблюдение за изменением их химического состава. Установлено, что гипс активно взаимодействует с этими растворами, в результате чего на его поверхности образуются пленки труднорастворамых соединений, снижающие интенсивность химических реакций.
Были исследованы особенности взаимодействия гипса с движущимися растворами. Для этого была сконструирована автоматическая установка, в которой при постоянном гидравлическом градиенте через кругло-цилиндрический канал в гипсе фильтровались различные растворы. В данных условиях по изменению расхода можно судить об увеличении или уменьшении диаметра канала в процессе фильтрации.
При фильтрации дистиллированной воды гипс интенсивно растворяется. При фильтрации разбавленного ЩАС золя или его компонентов диаметр отверстия уменьшается вплоть до полного его зарастания гидросиликатами и оксалатами кальция [10].
Опыты показывают, что образующиеся вследствие инъекции ЦАС раствора техногенные воды не оказывают отрицательного воздействия на гипс. Кроме того, происходит частичное заполнение пустот в гипсе за счет увеличения суммарного объема твердой фазы в ходе химических реакций.
Анализ изменения геохимических параметров среды в районе завесы показал, что возникающие при этом процессы приводят к увеличению суммарного объема твердой фазы в массиве, то есть можно ожидать изменения во времени фильтрационных параметров пород. В качестве количественного критерия суммарного результата всех процессов было выбрано изменение во времени коэффициентов фильтрации (Кф) пород, что отражает изменение состояния основания плотины.
Оценка изменения Кф пород производилась для двух этапов — первый этап (1965—1973 гг.) — до доуплотнения цементационной завесы, и второй этап (1978—1982гг.) — после доуплотнения завесы ЩАС раствором. Подбор Кф производился таким образом, чтобы значения расчетных напоров в соответствующих точках совпадали (с точностью 5 %) с данными натурных наблюдений, фильтрация моделировалась на ЭВМ ЕС-1022 методом конечных элементов по программе, составленной на фортране С. Н. Емальяновым [34] .
Сопоставление взаимосвязанных обратных гидрогеологических расчетов с данными натурных гидрохимических и гидродинамических наблюдений позволило выявить следующие закономерности.
В период существования только цементационной завесы произошло увеличение Кф завесы в шешминском водоносном горизонте в 2 раза, а в нижележащих водоносных горизонтах завеса практически неэффективна. В 5,5 раза возросли Кф пород в зоне. Примыкающей к завесе со стороны нижнего бьефа.
После инъекции ЩАС раствора Кф снизились с 0,05 до 0,012 м/сут в шешминском и с 0,19 до 0,002 м/сут в верхнесоликамском водоносных горизонгах Повышение плотности завесы обусловило существенный рост гашения напора на ней и устойчивости плотины на сдвиг.
В течение 4 лет после доуплотнения завесы в верхнесоликамском горизонте отмечено снижение почти в 2 раза Кф завесы и пород за ней в зоне шириной около 5 м. Уменьшение Кф в этот период происходит вследствие физико-химических процессов, ведущих к тампонированию остаточных трещин в теле завесы и за ее пределами. Доуплотнение завесы и последующей снижение ее проницаемости обусловливает положительные изменения; усиливается перетекание высокоминерализованных, неагрессивных к гипсу вод из нижнесоликамского горизонта, прекращается увеличение Кф пород основания плотины; происходит рост во времени гашения напора на завесе на 6—7 % и повышение устойчивости плотины.
Таким образом, комплексный подход к оценке состояния оснований плотин на растворимых породах включает: 1) анализ данных гидрохимических и гидродинамических наблюдений, 2) лабораторные исследования механизма химических и физико-химических процессов в основании; 3) математическое моделирование фильтрации для выявления изменения фильтрационных параметров пород во времени о такие исследования позволит оценивать эффективность противофильтрационных мероприятий, своевременно выявить нежелательные процессы в основании плотины и разрабатывать меры для их устранения.
Литература
- Бучацкий Г. В., Зернов Е. В., Евдокимова Л. А., Сергеев В. И., Воронкевич С,Д. Создание противофильтрационных завес с опытным применением нового химического тампонажного раствора// Гидротехническое строительство. 1976. № 4. С.4 — 6.
- Воронкевич С.Д, Евдокимова Л. А. Исследование характера взаимодействия и постинекционных растворов в связи с химическим уплотнением гипсоносных пород в основании Камской ГЭС// Инженерная геология. 1984. №6. С.51—62.
- Емельянов С,Н, Инженерно-геологическая оценка и прогноз основных параметров химического инъекционного уплотнения скальных осадочных грунтов: Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук /МГУ. М., 1982. 26 с.
- Емельянов С. Н., Максимович Н. Г., Тейшова И. П. Оценка изменения фильтрационных параметров гипсоносных пород во времени методом конечных элементов// Проблемы гидрогеологии и карста. Пермь, 1984, с. 72—73.
- Защитные пленки на солях. М., Л., 1944.
- Лыкошин А. Г. Карст и гидротехническое строительство. М.: Стройиздат, 1968. 184 с.
- Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, 1963. Т.1. 444 с.
- Максимович Н. Г. Постинъекционные процессы при тампонировании гипсоносных карбонатных пород силикатными растворами на примере Камской ГЭС/. Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук/ МГУ. М., 1984. 22 с.
- Максимович Н. Г., Воронкевич С. Д. Взаимодействие алюмосиликатных гелей с минерализованными подземными водами и его инженерно-геологическое значение// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1983. № 4. С.78—87.
- Максимович Н. Г., Сергеев В. И. Влияние химического инъекционного закрепления на устойчивость гипса в основании гидротехнических сооружений// Гидротехническое строительство. 1983. № 7. С. 30—32.
- Маменко Г. К. Изучение сохранности гипсоносных пород в основании Камской гидроэлектростанции// Гидротехническое строительство. 1969. № 5. С.16 — 21.
- Маслов Н. H., Науменко В. Г. Условия устойчивости напорных сооружений на загипсованных породах// Растворение и выщелачивание горных пород. М.: Госстройиздат, 1957. С. 71—81.
- Молоков Л. А. Опыт изучения области взаимодействия сооружений и геологической среды// Инженерная геология. 1982. № 3. С. 14- 25.
- Недрига В. П., Демьянова Э. A., Осадчий Л. Г. Применение солевого раствора для защиты соленосных пород оснований гидротехнических сооружений// Науч. исслед. в обл. гидротехн. сооружений. N., 1979. С. 12 -14. -
- Недрига Б.П., Осадчий Л. Г., Демьянова Э. А. Защита от размыва соленосных порода основании Рогунской плотины//Тр. ВНИИ ВОДГЕО. 1977. Вып. 61. С. 1—4.
- Орадовская А. В. Разгрузка минерализованных вод, как фактор защиты основания плотины от растворения// Научные сообщения ВОДГЕО. Гидрогеология. М.: Госстройиздат, 1962. С. 26—34.
- Сергеев В. И., Евдокимова Л. А., Воронкевич С. Д. К вопросу о контроле интенсивности растворения гипса в основании Камской ГЭС// Карст Нечерноземья: Тез, докл. Всесоюзн. Науч. -технач. совещания. Пермь, 1980. С. 87—88. ,
- Трупак А. А. Замораживание грунтов в гидротехническом строительстве// Совет, по закреплению грунтов я горных пород. М., 1941. С. 81—96.
|
|
|
