Инженерно-геологические исследования на плотине № 2 гидроотвала ОАО «Разрез Талдинский»

Оглавление Введение Глава 1. Инженерно-геологические условия плотины № 2

1.1 Общая характеристика гидроотвала

1.2 Инженерно-геологические условия плотины № 2

1.3 Гидрогеологические условия плотины № 2

Глава 2. Виды, объемы и методика дополнительных инженерно-геологических исследований

2.1 Цели и задачи исследования

2.2 Состав и объемы исследования

2.3 Методика исследования Заключение Список литературы

Введение

Объект исследования — плотина № 2 гидроотвала на р. Еланный Нарык ОАО «Разрез Талдинский».

Гидроотвал на р. Еланный Нарык эксплуатируется с 1997 г, в него поступают вскрышные породы глинисто-суглинистого состава, разрабатываемые средствами гидромеханизации. Гидроотвал представляет собой намывное гидротехническое сооружение с двусторонним обвалованием. Первоначальная емкость гидроотвала образована путем отсыпки первичных плотин № 1 (низовой) и № 2 (верховой). Первичные плотины каменно-земляные III класса капитальности. Высота первичной плотины № 1 составляет 20 м, высота первичной плотины № 2 — 25 м, отметка гребня 279,0 м. В 1999 г согласно проекту «Гипроуголь» произведено увеличение высоты плотины № 1 до отметки 283,0 м. Отсыпка дамбы наращивания № 1 произведена в нижнем бьефе. В 2001 г. выполнен рабочий проект дамбы наращивания № 2 плотины № 1 в верхнем бьефе до отметки 296,0 м.

Необходимость выполнения дополнительных инженерно-геологических исследований на плотине № 2 гидроотвала «Талдинский» обусловлена требованиями разработки проекта повышения высоты гидроотвала.

Целью дополнительных инженерно-геологических исследований на гидроотвале является уточнение инженерно-геологических условий плотины № 2 для обоснования параметров и условий устойчивости дамбы наращивания в рамках проекта дальнейшей эксплуатации гидроотвала.

Методы исследований — комплексный подход, включающий полевые и лабораторные методы изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий техногенных и естественных массивов.

При составлении проекта дополнительных изысканий под проектирование дамбы наращивания № 2 использованы материалы инженерно-геологических и гидрогеологических исследований на гидроотвале, выполненные организациями Гипроуголь и ОАО Стройизыскания.

По данным исследований института «Гипроуголь» и ОАО «Стройизыскания» [3,4] инженерно-геологические условия плотины № 2 характеризуются распространением 8 слоев, которые по местоположению, гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам подразделяются на инженерно-геологические элементы (ИГЭ).

Глава 1. Инженерно-геологические условия плотины № 2

1.1 Общая характеристика гидроотвала Гидроотвал ОАО «Разрез Талдинский» предназначен для складирования вскрышных пород разреза, разрабатываемых способом гидромеханизации и представленных суглинистым грунтом. Гидроотвал расположен в 2 км южнее Центрального участка разреза на площади Южного отвала.

Гидроотвал овражно-балочного типа, расположен в долине р. Еланный Нарык. Площадь гидроотвала составляет 500 тыс. м2.

Первоначальная емкость гидроотвала 9,88 млн. м3 образована путем отсыпки первичных плотин № 1 и № 2, была предусмотрена для складирования наносов в течение двух лет. Первичные плотины каменно-земляные III класса капитальности.

Плотина № 2 имеет параметры, превышающие проектные: высота 40 м, ширина по гребню 70 м, ширина по подошве 175 м, длина 452 м. Современная отметка гребня плотины +296. Фактически плотина представляет собой отвал вскрышных пород с перепадом отметок 267,0 — 296,0 м. Поверхность дамбы на гребне неровная, хаотично завалена кучами вскрышных пород с отдельными крупными глыбами. В западной части наблюдаются оползень и продольные трещины глубиной от 1,5 до 2,5 м с раскрытием по верху до 0,5 м. На низовом откосе имеются выходы (просачивание) воды из тела плотины.

В теле плотины № 2 проложен водозаборный коллектор, через который осветленная вода из пруда-отстойника поступает на насосную станцию первого подъема и далее по водоводу на подрезную насосную станцию и гидромониторы.

Непосредственно у подножия низового откоса плотины № 2 расположена емкость для приема воды из карьерного водоотлива. Вода из емкости в зависимости от необходимости используется либо для восполнения потерь воды в гидроотвале, либо в технологии гидромеханизации.

Территория гидроотвала является запретной зоной, поэтому все подъезды к гидроотвалу ограждаются запрещающими знаками «Опасная зона». Размеры опасной зоны 100 м от границ гидроотвала. Охранная зона вокруг проектного контура гидроотвала, согласно СН 245−71, составляет 300 м.

В зоне затопления в случае гидродинамической аварии населенные пункты, промышленные и сельскохозяйственные объекты, места скопления людей отсутствуют.

1.2 Инженерно-геологические условия плотины № 2

Плотина № 2 отсыпана в днище и на склонах долины р. Еланный Нарык, имеющий асимметричный поперечный профиль с пологим (5−10°) правым и крутым (15−25°) левым склонами. На участке расположения гидроотвала долина реки выполнена четвертичными аллювиальными (местами заторфованными) суглинками и глинами, торфом, гравийным грунтом в пойменной части долины и делювиальными суглинками на склонах. Мощность насыпных пород плотины достигает 40 м, аллювиальных отложений — от 0,5 до 12 м, делювиальных суглинков от 1,2 до 23,5 м.

Коренные породы района представлены верхнепермскими осадочными породами песчано-глинистого состава: песчаниками, аргиллитами, с преобладанием последних. Верхнепермские породы до 50−60 м затронуты выветриванием, трещиноватые.

По данным исследований института «Гипроуголь» и ОАО «Стройизыскания» 3,4инженерно-геологические условия плотины № 2 характеризуются распространением 8 слоев, которые по местоположению, гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам подразделяются на инженерно-геологические элементы (ИГЭ):

Тело плотины:

Слой 1. Насыпной грунт.

ИГЭ 1а — крупнообломочный грунт, предоставленный щебнем, дресвой осадочных пород и песчано-глинистым заполнителем от 30 до 45%, местами с линзами и прослоями суглинка. Грунт является основной частью тела плотины и его мощность достигает 25 м.

ИГЭ 1б — суглинистый грунт, с включениями дресвы и щебня осадочных пород 10−25%, от твердой до тугопластичной консистенции, среднесжимаемый. Грунт встречен в виде прослоев и линз мощностью от 1,4 до 8,2 м.

ИГЭ 1в — суглинистый грунт, преимущественно текучепластичной консистенции, сильносжимаемый. Грунт встречен в толще крупнообломочного грунта в виде линз и прослоев мощностью 1,3 -9,0 м.

ИГЭ 1 г — суглинистый грунт, с прослоями глин, элементов экрана (предполагаемого), коричневые, преимущественно тугопластичной консистенции, сильносжимаемый.

ИГЭ 1д — суглинистый грунт, с включением большого количества дресвы и щебня каменного угля, преимущественно твердой консистенции, среднесжимаемый. Мощность линз и прослоев в толще крупнообломочного и суглинистого грунтов составляет 3,8 -7,3 м.

Основание плотины:

Слой 2. Почвенно-растительный слой с корнями трав, кустарников.

Слой распространен на ненарушенных участках площадки и его мощность составляет 0,3 — 0,5 м.

Слой 3.

ИГЭ 3 — торф темно-коричневый, сильноразложившийся, высокозольный, сильносжимаемый. Грунт встречен на заболоченных участках лога. Мощность слоя 0,7 -1,0 м.

ИГЭ 3а — глина серая и темно-серая, слабозаторфованная, преимущественно мягкопластичной консистенции, сильносжимаемая, сильнопучинистая. Грунт залегает под торфом и верхней части аллювиальных отложений днища долины р. Еланный Нарык. Мощность слоя изменяется от 0,3 до 2,6 м.

Слой 4. Аллювиальные отложения — суглинки и глины, зеленовато-серые и серые, с примесью органических веществ. Слой слагает основную часть аллювиальных отложений долины реки, он залегает под насыпными грунтами плотины, почвенно-растительным слоем, торфом и глиной слабозаторфованной. Мощность слоя изменяется от 0,8 до 4,9 м, а на отдельных участках она превышает 8,0 м.

ИГЭ 4а — суглинок, с линзами глин, преимущественно полутвердой консистенции, среднесжимаемый, сильнопучинистый.

ИГЭ 4б — суглинок, с прослоями глин, мягкопластичной консистенции, сильносжимаемый, сильнопучинистый.

ИГЭ 4в — суглинок, с прослоями глин, текучепластичной и текучей консистенции, сильносжимаемый, сильнопучинистый.

Слой 5.

ИГЭ 5 — аллювиальный гравийный грунт, представленный слабо и хорошо окатанными гравием, мелкой галькой осадочных и метаморфических пород с песчано-глинистым заполнителем от 15 до 35%.

Слой 6. Делювиальные отложения — суглинок, с линзами глины, светло-коричневый, карбонатизированный, ожелезненный, ненабухающий. На площадке слой представлен рыхлыми четвертичными отложениями склонов долины речки. Мощность слоя изменяется в значительных пределах — от 0,5 до 23,1 м.

ИГЭ 6б — суглинок, преимущественно тугопластичной консистенции, среднесжимаемый, среднепучинистый.

ИГЭ 6в — суглинок мягкопластичной консистенции, сильносжимаемый, сильнопучинистый.

ИГЭ 6 г — суглинок, преимущественно текучепластичной консистенции, сильносжимаемый, сильнопучинистый.

Слой 7. Уголь каменный, черного цвета, выветрелый до состояния сажи и дресвы. На полную мощность пласт не пройден.

Слой 8. Коренные породы, подстилающие (с учетом насыпных грунтов плотины) делювиальные отложения склонов долины на глубине 17,8 — 36,4 м и аллювиальные отложения днища долины речки на глубине 18,5 — 46,0 м.

ИГЭ 8б — элювий алевролита, выветрелого до состояния суглинка, преимущественно твердой консистенции, с включением большого количества дресвы и щебня. Грунт слабосжимаемй, практически не пучинистый.

Характеристика физико-механических свойств пород выделенных ИГЭ приводятся в таблице № 1.

Нормативные характеристики физико-механических свойств пород тела и основания плотины № 2 гидроотвала «Разреза Талдинский».

Таблица 1

1.3 Гидрогеологические условия плотины № 2

Гидрогеологические условия района расположения гидроотвала в долине реки Еланный Нарык определяются развитием двух естественных водоносных комплексов, приуроченных к верхнепермским осадочным породам и четвертичным отложениям, и техногенного водоносного горизонта, сформировавшегося в теле насыпной плотины.

Водоносные комплексы осадочных коренных пород представлены трещинными и порово-пластовыми водами. Их питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка осуществляется в местную речную сеть. Для вод пермских отложений паводковый период начинается в конце апреля — начале мая, а максимальный уровень наблюдается в июне-июле. Амплитуда колебаний составляет 0,5 — 2,6 м.

К четвертичным рыхлым отложениям приурочены маломощные горизонты и линзы верховодки. В донных частях логов, в силу заиленности и невыдержанности аллювиально-пролювиальных отложений, самостоятельные горизонты не выделяют, но отложения, в основном, водонасыщены. Погребенные аллювиальные образования в долине речки включают горизонты мощностью 3−8 м, приуроченные к супесчано-гравийно-галечниковым отложениям.

Грунтовые воды аллювиальных отложений р. Еланный Нарык залегают на глубинах 0 -1,4 м от поверхности природного рельефа. Подземные воды делювиальных отложений склонов долины залегают на глубинах 10,6 — 11,9 м.

Питание четвертичных отложений осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, а в долине речки — дополнительно за счет вод подстилающих коренных пород. Для грунтовых вод наиболее низкими уровнями характеризуются декабрь-март месяцы. С началом интенсивного таяния снега (апрель) наблюдается резкий подъем уровня, который продолжается до июня, а затем происходит медленный спад до декабря месяца, с небольшим осенним подъемом. Летние кратковременные дожди не оказывают существенного влияния на положение уровня. Амплитуда колебания уровня грунтовых вод составляет 1,3 -3,4 м.

В теле плотины № 2 техногенный водоносный горизонт распространен повсеместно. Положение депрессионной поверхности в откосе плотины определяется отметками уреза воды в верхнем и нижнем бьефах плотины, которые составляют, соответственно 284,76 и 261,2 м.

На отдельных участках грунтовые воды выходят на поверхность низового откоса дамбы. В трех точках замерены расходы высачивания воды из тела плотины, они измеряют в пределах 1,08 — 3,60 /час. На поверхности плотины в пониженных местах происходит накопление атмосферных осадков.

Результаты замеров уровней грунтовых вод в скважинах на плотине № 2

Таблица 2

Таким образом, условия устойчивости плотины № 2 определяются распространением двух водоносных горизонтов, гидравлически связанных между собой, но характеризующихся самостоятельными режимами фильтрации грунтовых вод. Уровенный режим техногенного водоносного горизонта, приуроченного к насыпным породам тела плотины, существенным образом зависит от условий намыва гидроотвала и инфильтрационного питания (атмосферных осадков). Поэтому его влияние на устойчивость откосов плотины наибольшее в весенне-летнее время, совпадающее с началом сезона гидромеханизации и максимального выпадения атмосферных осадков. Возрастание уровней воды в теле плотины в этот период может приводить к образованию оползней на локальных участках плотины, характеризующихся повышенным уровнем стояния техногенных вод. Гидродинамический режим фильтрации напорных грунтовых вод в основании плотины, по всей видимости, в меньшей степени зависит от инфильтрационного питания. При рассмотрении условий устойчивости откоса плотины следует учитывать, что при снижении уровней воды в насыпных породах возможно возрастание избыточного порового давления в суглинистых породах основания плотины.

Глава 2. Виды, объемы и методика дополнительных инженерно-геологических исследований

2.1 Цели и задачи исследования При изучении инженерно-геологических условий территорий на каждой стадии изысканий и решении при этом различных задач, связанных с проектированием сооружений и инженерных работ, применяют различные методы и виды геологических работ в определенной последовательности.

Инженерно-геологические исследования являются всегда комплексными, при их выполнении изучают комплекс природных геологических условий и применяют комплекс разнообразных и сложных видов геологических работ. Эти работы и методика их выполнения обычно составляют определенную систему инженерных изысканий. Рациональная система таких изысканий должна обеспечивать полное решение задач по изучению инженерно-геологических условий на каждой их стадии при выполнении наименьшего объема работ в сжатые сроки. Выбор рациональной системы инженерных изысканий определяется в зависимости как от природных условий рассматриваемого района, строительной площадки, так и от типов, размеров и особенностей проектируемых сооружений или инженерных работ 7.

Необходимость выполнения дополнительных инженерно-геологических исследований на плотине № 2 гидроотвала «Разреза Талдинский» продиктована требованиями разработки проекта повышения высоты плотины. В настоящее время отметки гребня плотины № 2 достигают 296,0 м, что обеспечивает работу гидромеханизации на один сезон намыва. В дальнейшем планируется строительство на плотине № 2 дамбы наращивания для защиты разреза от подтопления гидроотвалом.

В связи с этим целью дополнительных инженерно-геологических исследований на плотине является: уточнение строения и свойств естественных и техногенных пород, залегающих в основании отвала, и уточнение инженерно-геологических условий плотины № 2. При этом необходимо установить характер изменения свойств пород как непосредственно под отвалами (в зоне сжатия), так и в зоне влияния отвалов для обоснования параметров и условий дамбы наращивания в рамках проекта дальнейшей эксплуатации гидроотвала.

Задачами дополнительных изысканий являются:

Определение строения плотины гидроотвала, схематизация сооружения с выделением инженерно-геологических элементов.

Изучение физико-механических свойств насыпных пород плотины и естественного основания.

Обоснование расчетных параметров физико-механических свойств насыпных пород плотины с целью разработки рекомендаций по снижению уровня техногенных вод в теле плотины.

2.2 Состав и объемы исследования Состав и объемы инженерно-геологических исследований при проектировании дамб наращивания на гидроотвалах устанавливаются СП 11−105−97 «Инженерно-геологические исследования для строительства. Часть I. Общие правила производства работ», а для объектов угольной отрасли — также и ведомственным документом «Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть I. Изучение гидрогеомеханических условий строительства, эксплуатации и рекультивации отвальных сооружений».

Согласно СП 11−105−97, на участках отражающих и водорегуляционных плотин (дамб) водотоков и накопителей промышленных отходов и стоков (хвостои шламохранилищ, гидрозолотоотвалов и т. д.) высотой до 25 м горных выработок необходимо размещать по осям плотин (дамб) через 50 — 150 м в зависимости от сложности инженерно-геологических условий и с учетом требований производственноотраслевых (ведомственных) и (или) территориальных нормативных документов.

В сложных инженерно-геологических условиях, при высоте плотин (дамб) более 12 м следует намечать дополнительно через 100 — 300 поперечники не менее чем из трех выработок 1.

Согласно «Указаниям по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях», виды и объемы работ выбирают в зависимости от категории сложности гидрогеомеханических условий. Гидроотвал «Разреза Талдинский» по основным признакам (местоположение сооружения относительно ответственных объектов, гидрогеологические условия отвала или основания, преимущественный состав пород отвала или основания, строение отвала или основания) относится к категории 3 «особо сложные условия». Поэтому при проведении дополнительных исследований руководствуемся следующими рекомендациями: в пределах призмы возможного оползания буровые работы ведут на поперечниках, перпендикулярных бровке откоса отвала и расположенных друг относительно друга на расстоянии, зависящем от степени сложности гидрогеомеханических условий. Для условий третьей категории сложности расстояние между линиями поперечников составляет 50 — 100 м 2. На каждом из поперечников следует проходить не менее трех буровых скважин. Число буровых скважин и точек опробования на стадии детальных исследований необходимо определять с учетом пройденных на ранних стадиях 2.

Частота отбора проб из буровых скважин для лабораторных исследований определяется необходимостью получения более достоверных показателей физико-механических свойств. Образцы отбираются из каждого визуально выделенного однородного слоя, при мощности его более 3 м из каждого его более 3 м из каждого трехметрового интервала. В зоне тонкого переслаивания частота отбора должна составлять 20 — 25 см на 1 м погонной длины скважины 2.

Согласно требованиям обоих нормативных документов выработки на плотине № 2 следует располагать по 5 профилям (один продольный и 4 поперечных), в которых бурятся 20 технических скважин (по 5 скважин в каждом из 4-х поперечных профилей). Расстояние между профилями 100 м, расстояние между скважинами в профиле 50 — 100 м. Отбор образцов в насыпных породах следует производить через каждые 5 м, а в основании плотины — через каждые 2 м.

плотина гидроотвал скважина геологический Таблица 3

В рамках дополнительных инженерно-геологических исследований выполняют полевые работы и лабораторные виды работ. В состав полевых работ входят:

1. Измерение сопротивления горных пород сдвигу с применением крыльчатки.

2. Геофизические работы.

В состав лабораторных работ входят следующие виды.

Для насыпных пород — определение гранулометрического состава ситовым методом, определение плотности и прочности пород методом одноплоскостного среза;

Для пород основания плотины — определение гранулометрического состава пипеточным методом, определение плотности, влажности, пределов пластичности, прочности одноплоскостным срезом и в приборе трехосного сжатия.

Таблица 4

2.3 Методика исследования В соответствии с задачами проектирования предусматривается проведение следующих работ:

Буровые работы.

Полевые работы.

Лабораторные работы.

Камеральные работы.

Буровые работы.

Бурение скважин является самым распространенным видом разведочных работ при инженерно-геологических изысканиях. Бурение скважин необходимо для отбора монолитов с последующим их лабораторным изучением.

Бурение колонково-вращательное с промывкой тяжелого глинистого раствора, так как стенки скважин не устойчивы. Насыпные породы после проходки обсаживаются обсадной трубой диаметром 108 мм. Породы основания не обсаживаются, производят задавливание колонковой трубой. Общий объем работ составляет 487,4 м. Диаметр скважин определяется необходимостью получения образцов, диаметром позволяющим производить прочностные и компрессионные испытания пород ненарушенного сложения в стандартных приборах, а именно диаметр 90 мм, следовательно, конечный диаметр должен быть 93 мм, а начальный 112 мм. В соответствии с целевым назначением и основными задачами буровых работ произведен выбор оптимальной конструкции скважин.

Опробованию подлежат насыпные грунты плотины и породы естественного основания, следовательно, глубина скважин определяется высотой техногенных горных пород плотины, а также мощностью горных пород естественного основания, что составляет для данного сооружения максимум с гребня плотины 50 м. На откосах плотины мощность насыпных горных пород меньше, поэтому глубина скважин составляет максимум 25 м. Отбор образцов проводится для уточнения в лабораторных условиях физико-механических свойств грунтов.

Плотины представляет собой узкопрофильное сооружение, поэтому изучение их строение обычно выполняется по профилям перпендикулярных простиранию откосов.

Для каждого отобранного образца выполняется полный комплекс исследований по определению их физических характеристик по стандартной методике: плотности, влажности, определение предела текучести и предела пластичности глинистых пород, определение гранулометрического состава и т. д.

Бурение скважин осуществляется буровой установкой УРБ-2А2 с подвижным вращателем и гидроприводом промывкой глинистым раствором. Техническая характеристика буровой установки представлена в таблице 5.

Таблица 5

Буровые работы включают отбор образцов пород для предварительной оценке их состава и свойств. Буровые работы ведут по продольному разрезу вдоль плотины и по четырем профилям.

Полевые работы.

Полевые опытные работы выполняются с целью получения более достоверных и надежных данных, характеризующих физико-механические свойства горных пород и водные свойства водоносных горизонтов. Полевые работы позволяют исследовать горные породы в условиях естественного залегания 7. В данном случае полевые испытания проводятся только для пород естественного основания плотины, измеряют сопротивление горных пород сдвигу с применением крыльчатки. Испытание крыльчаткой заключается в сдвиге по цилиндрической поверхности некоторого объема породы, заключенного между лопастями крыльчатки, задавленной в исследуемые отложения, при ее повороте. При вращении среза определяют общую величину сопротивления сдвигу породы и установившуюся прочность породы после разрушения структурных связей в результате трех или четырехкратного полного поворота крыльчатки вокруг оси. При испытании пород с помощью вращательного среза для каждого выделенного в разрезе литологического типа проводятся три опыта.

По отношению величины максимальной прочности к ее минимальному значению судят о чувствительности породы. Принято разделять глинистые породы по степени чувствительности на 3 группы8:

Малочувствительные…2−4

Чувствительные…4−8

Очень чувствительные…8

Г. К. Бондарик предлагает пользоваться обратной величиной: отношение прочности породы в нарушенном состоянии к сопротивлению сдвигу породы с ненарушенными структурными связями. Эта величина называется показателем структурной прочности. Согласно классификации Г. К. Бондарика, глинистые породы могут быть подразделены на 4 группы8: Прочность структурных связей Ничтожно малая…1,0

Низкая…1,0−0,5

Средняя…0,5−0,2

Высокая…0,2−0,0

В процессе испытания породы с помощью крыльчатки замеряют крутящий момент. И по следующей формуле определяют сопротивление сдвигу:

где — максимальный крутящий момент, кгссм; d и h — диаметр и высота крыльчатки, см Испытания пород вращательным срезом в скважинах производят поинтервально: скважину проходят до необходимой глубины, на забой опускают крыльчатку, задавливают на 0,3 — 0,5 м и приворачивают со скоростью 0,2 — 0,3 угловых градуса в секунду на 3 — 4 оборота; после чего крыльчатку поднимают и операцию повторяют для нового интервала опробования. В процессе каждого опыта фиксируют угол поворота и вращающий момент, а затем выделяют максимальное и минимальное значения последнего 2.

Геофизические работы.

Геофизической разведкой называется один из видов геологических работ, выполняемых с помощью геофизических приборов для изучения геологических условий территорий, некоторых геологических процессов и явлений и свойств горных пород. Геофизические методы разведки позволяют успешно решать задачи, когда наблюдается определенная неоднородность геологической среды, когда в ее пределах горные породы существенно различаются по физическому состоянию (влажности, трещиноватости и др.) и свойствам (плотности, скорости распространения упругих колебаний и др.) 7.

Геофизические исследования проводят с целью решения следующих задач:

— расчленение литологического разреза на литологические разности

— выделение водоносности, определение степени водонасыщенности пород Для решения поставленных задач возможно использование следующих методов:

Гамма каротаж Нейтрон-нейтронный метод.

Эти методы относятся к ядерным методам разведки. Сущность методов, основанных на искусственном облучении горных пород нейтронами и гамма-излучением, состоит в следующем. При облучении горных пород радиоактивными источниками нейтроны с высокими скоростями и энергией (так называемые быстрые нейтроны) при столкновении с ядрами тяжелых элементов рассеиваются, а при столкновении с ядрами легких элементов (например, водорода) движение их замедляется, а энергия понижается. После ряда столкновений энергия быстрых нейтронов понижается и они превращаются в тепловые нейтроны, которые захватываются ядрами элементов. Это явление сопровождается вторичным гамма-излучением. По количеству обнаруженных тепловых нейтронов и интенсивности вторичного гамма-излучения судят о наличии элементов, обладающих способностью замедлять движение нейтронов. Так как замедлять движение нейтронов способен водород воды влажной горной породы, установлено, что число «медленных» нейтронов пропорционально содержанию в породе воды. На этом и основано определение влажности горных пород нейтрон-нейтронным методом. Существует также связь между интенсивностью вторичного гамма-излучения и объемом воды, содержащей подавляющее количество водорода в горных породах. При полном водонасыщении горных пород эта зависимость позволяет определять их пористость 7.

В зависимости от решаемых задач измерения интенсивности тех или иных излучений при ядерных исследованиях производят специальными приборами и установками на поверхности земли, в естественных обнажениях горных пород, в стенках горных выработок путем погружения в горные породы специальных зондов или в буровых скважинах методом каротажа, т. е. непрерывным погружением измерительного зонда в скважину 7.

Гамма каротаж.

Гамма каротаж относится к пассивным видам радиоактивного каротажа. В его основе лежит изучение литологического расчленения разреза скважин; корреляция разрезов скважин. В основе этого метода лежит изучение скважин по интенсивности гамма-излучений, создаваемых породами, окружающими ствол скважины в радиусе 30−40 см. Процессы взаимодействия гамма-квантов с породой являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар. В методе гамма-излучения имеет место фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние гамма-квантов породой. В зависимости от энергии гамма-квантов и вещественного состава горной породы преобладает тот или иной процесс их взаимодействия.

Максимальной радиоактивностью обладают глины. Радиоактивность других осадочных пород находится в прямой зависимости от содержания в них глинистого материала.

Естественная радиоактивность горных пород в скважине измеряется скважинным радиометром, основной частью которого является детектор гамма-излучения. В качестве детектора применяются газонаполненные или сцинтилляционные счетчики. Более высокой чувствительностью (эффективностью) и разрешающей способностью обладают сцинтилляционные счетчики.

Сквжинными радиометрами измеряется скорость счета, т. е. количество гамма-квантов, зарегестрированных детектором за одну минуту. Переход от измеренной скорости счета в горных породах, вскрытых скважиной, к их естественной радиоактивности (вМ/ч) осуществляется по результатам эталонирования радиометра с использованием эталонных источников гамма-излучения. В результате взаимодействия гамма-кванта с рабочим телом (сцинтиллятором или газом) счетчика на его выходе появляется импульс тока, амплитуда которого определяется энергией гамма-кванта. Этот импульс усиливается, дискриминируется и стандартизируется по амплитуде и длительности. Стандартные импульсы поступают на интегрирующий каскад, где последовательность импульсов, пропорциональная скорость счета, преобразуется в постоянный ток, который фиксируется регистрирующим прибором. В наземной панели радиометра имеется калибратор, с помощью которого устанавливается масштаб записи кривой ГК в импульсах в минуту на см шкалы регистратора. В качестве калибратора используется генератор импульс с заданной скоростью счета.

Нейтрон-нейтронный каротаж (ННК) ННК применяют для дифференсации геологического разреза по содержанию в породах водорода. Они позволяют выделить водоносность и оценивать их емкостные характеристики.

При ННК регистрируют поток нейтронов той или иной энергии поступающих в скважину при облучении породы нейтронами источника. Величина этого потока зависит от способности породы замедлять, рассеивать и поглощать нейтроны и от энергии последних.

Фон при ННК обусловлен нейтронами, распространяющимися от источника вдоль скважины, минуя породу. Для снижения фона детектор со стороны источника защищают экраном из Cd (0,5 мм), смеси В с пластмассой или парафином (3−10см). При необходимости дальнейшего ослабления фона детектор отделяют от полости скважины цилиндрическим экраном с продольной щелью (шириной 10−20мм), которой СП прижимается к стенке скважины пружинящим устройством. Этот экран имеет внутренний слой из Cd (0,5 мм) и внешний слой (до 20 мм) из смеси В с пластмассой или парафином.

Основное назначение ННК — определение содержанием в породах водорода q ±(объемной влажности, пористости) и нейтронопоглащающих элементов. Оценка пористости пород основывается на том, что при отсутствии в скелете породы водорода и полном насыщении пор водой величина q пропорциональна пористости v.

Лабораторные работы.

Лабораторные методы исследования в рамках задачи по обоснованию параметров гидроотвала направлены на определение показателей физико-механических свойств пород. Преимущество лабораторных методов исследований для целей прогноза в том, что они позволяют моделировать различное напряженное состояние пород, соответствующее условиям возведения проектируемого сооружения 2.

Герметизацию образцов производят с помощью парафинирования. Высота образца с учётом требований стабилометрических опытов не менее 30 см. парафинирование монолитов выполняют в следующем порядке: монолит покрывают тонким слоем парафина путем быстрого погружения его разными сторонами в расправленный парафин при температуре 57 — 60 С и туго обматывают слоем марли, предварительно пропитанной парафином. Затем вновь покрывают слоем парафина и туго обвертывают вторым слоем марли, также предварительно пропитанной парафином, после чего снова покрывают слоем парафина. В таком виде монолит направляют в лабораторию.

Таблица 6

Для насыпных пород определяется гранулометрический состав ситовым методом, определяют плотность методом режущего кольца большого диаметра и проводятся одноплоскостные срезные испытания. Гранулометрический состав характеризует процентное содержание в породе групп частиц различных размеров, взятых по отношению к массе абсолютно сухой породы.

Ситовой метод. Породу с помощью специального набора сит рассеивают на отдельные фракции. После этого определяют массу и процентное содержание в ней каждой фракции. Для определения гранулометрического состава породы ситовым методом необходимо иметь: набор стандартных сит, технические весы с разновесами, фарфоровую ступку с резиновым наконечником, фарфоровые чашечки, тигли или бюксы, ложку или совок, лист бумаги, рабочий журнал.

Стандартный набор сит состоит из девяти сит с отверстиями 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 и 0,1 мм. Первые шесть сит должны быть штампованными или сверлеными с отверстиями круглой формы. Сита с отверстиями 0,5; 0,25 и 0,1 мм обычно изготовляют из медной сетки простого сечения. Как исключение, допускаются сита из медной сетки с квадратными отверстиями 1,0 мм. Сита собирают в колонку так, чтобы отверстия их уменьшались сверху вниз. Под нижнее сито подставляют поддон, а верхнее надевают крышку 6.

Определение прочности пород методом одноплоскостного среза.

Массовые испытания глинистых пород на прочность рекомендуется проводить методом одноплоскостного сдвига. Метод испытания в срезных приборах позволяет определить параметры прочности песчаных и глинистых пород: сцепление и угол внутреннего трения, которые входят в расчетные зависимости при определении устойчивости отвалов. Суть опыта состоит в сдвиге одной части образца относительно другой по зафиксированной поверхности при определенной величине нормальной нагрузки. Разрушение наступает тогда, когда касательные напряжения превышают внутренние силы сопротивления. В связных (глинистых) породах внутренние усилия сопротивления сдвигу обусловлены силами трения и силами сцепления, т. е. силами структурных связей. Сцепление служит количественным выражением прочности структурных связей, действующих в объёме породы по поверхностям скольжения или в пределах зон скольжения.

Максимальное сопротивление пород сдвигу проявляется при гидростатическом равновесии, т. е. когда их влажность и плотность будут соответствовать действующей уплотняющей нагрузке и уплотнение достигнет стабилизации.

Схему консолидированного-недренированного сдвига применяют для исследования песчано-глинистых грунтов, характеризующиеся средней проницаемостью (К=10−10 см/с). Такие породы за период формирования отвалов способны существенно повышать свою прочность вследствие процесса консолидации под нагрузкой. Однако нарастание сдвигающих сил в массиве, предшествующее образованию деформаций, возбуждает избыточное поровое давление, в результате чего сопротивление пород сдвигу реализуется не полностью. Подобные условия «работы» пород наиболее близко моделируют предложенная схема.

Испытание по консолидированного-недренировыанного сдвига обычно проводят в двух вариантах, условно называемых сдвиг «по прямой ветви компрессии» и «по обратной ветви компрессии». В первом случае образцы срезаются при нормальных нагрузках, равным уплотняющим, а во втором — при меньших и равных уплотняющим. Первый вариант используют для установления общей закономерности изменения прочности пород при нагружении. Второй вариант помимо указанного позволяет учитывать развивающиеся при сдвиге избыточное поровое давление и оценивать изменение параметров сопротивления сдвигу (и С) с ростом эффективных напряжений.

Величина нагрузки предварительного уплотнения определяется в соответствии с выражением:

=-Р, гдеполное давление, создаваемое весом вышележащих пород; Р-«фоновое» избыточное поровое давление на различных этапах формирования сооружения.

Процедура испытаний пород по схеме консолидированно-недренированного сдвига заключается в предварительном уплотнении серии образцов под одной (второй вариант) или несколькими (первый вариант) нагрузками и относительно быстром их срезе в течении 5−8 мин. При сдвиге «по обратной ветви компрессии» рекомендуется следующие значения нормальных напряжений: 10, 25, 40, 50, 75, 100% от величены нагрузки предварительного уплотнения. При этом испытанию подлежит несколько серий образцов, соответствующих различным нагрузкам уплотнения 2.

Одноплоскостные сдвиговые испытания для насыпных пород тела плотины проводят в приборах с большой площадью среза 500 см², разработанных во ВНИМИ для исследования отвальных пород. Методика определения прочности пород в этих приборах не отличается от изложенной выше. Перед определением сопротивления сдвигу в каждом опыте определяют также плотность насыпных пород методом режущего кольца, используя параметры обоймы прибора большого среза.

Для пород основания плотины № 2 определяется гранулометрический состав пипеточным методом, определяется плотность методом режущего кольца, определяется влажность и пределы пластичности, а также определяется прочности в приборе трехосного сжатия (стабилометр) и методом одноплоскостного среза.

Пипеточный метод. Пипеточный метод применим главным образом для определения гранулометрического состава глинистых пород. Этим методом с достаточной точностью определяют содержание в породе фракций диаметром более 0,1; 0,1 — 0,05; 0,05 — 0,01; 0,01 — 0,002; 0,002 — 0,001 мм и менее 0,001 мм. При наличии в породе более крупных фракций этот метод должен применяться в комбинации с ситовым. При пипеточном методе разделение частиц породы на фракции основано на различной скорости падения их в воде при отмучивании. В процессе отмучивания породы фракции определяют путем взятия пробы пипеткой из приготовленной суспензии с определенной глубины.

Для проведения гранулометрического анализа пипеточным методом необходимо иметь: технические весы с разновесами, аналитические весы с разновесами, цилиндр вместимостью 1200 — 1300 см³, высотой 45 см, диаметром 6 см, пипетку на 25 см³, колбу плоскодонную вместимостью 250 см³ с обратным холодильником, фарфоровую чашку диаметром 16 см, бюксы или фарфоровые тигли, сита с отверстиями 0,1 мм, фарфоровую ступку с резиновым наконечником, сушильный шкаф, песчаную или водяную баню, промывалку или резиновую грушу, мешалку, раствор 25%-ного аммиака, насыщенный раствор пирофосфата натрия, секундомер, часы, термометр с делениями до 0,5 °С, лист бумаги, журнал наблюдения.

Определение плотности методом режущего кольца.

Определение плотности осуществляется методом режущего кольца, для этого необходимо иметь: кольцо из некорродирующего металла с заостренным режущим краем, диаметром не менее 50 — 70 мм, высотой не более диаметра и не менее половины диаметра, с толщиной стенок 1,5 — 2 мм, штангельциркуль, нож, технические весы.

Метод заключается в следующем: при помощи штангельциркулья измеряют внутренний диаметр и высоту режущего кольца и вычисляют его объем. Затем взвешивают кольцо на технических весах с точностью до 0,01 г и получают массу g1. После этого кольцо ставят заостренной стороной на зачищенную и выровненную поверхность монолита горной породы. Остро отточенным ножом тонкими срезами вырезают столбик горной породы диаметром на 1 мм больше внутреннего диаметра кольца. По мере вырезывания кольцо постепенно надевают на столбик горной породы. Лишняя часть породы срезается при этом острыми концами кольца. При надевании кольца на столбик породы не следует допускать выкрошивания породы из боковых поверхностей столбика. Загрузка кольца простым задавливанием его в монолит нежелательна, так как это нарушает естественное сложение породы и не обеспечивает плотного заполнения кольца. После того как столбик породы выступит над краем кольца, лишнюю часть породы срезают вровень с нижним и верхним его краями.

Кольцо с породой взвешивают на технических весах и получают массу g2. Определив чистую массу породы g=g2—g1, вычисляют ее плотность =g/V 6.

Для определения влажности необходимо иметь: стеклянные или алюминиевые бюксы, эликсир, сушильный шкаф и технические весы.

Последовательность определения: бюкс с крышкой взвешивают на технических весах и получают массу; из середины пробы, доставленной в лабораторию, берут навеску горной породы не менее 15 г в ранее взвешенный бюкс; закрывают его крышкой и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г, получают массу. После взвешивания бюкс с приоткрытой крышкой ставят в сушильный шкаф для высушивания породы. Температура в нем должна быть равной 100 — 105С. высушивание породы производят до постоянной массы, которую устанавливают периодическими взвешиваниями: первое взвешивание производят через 4 — 5 ч, второе и последующие через 1 — 2 ч. перед каждым взвешиванием бюкс с породой, вынутый из сушильного шкафа, помещают в эксикатор для охлаждения. В результате взвешивания получают массу .

Разность масс породы до высушивания и после, отнесенная к массе абсолютно-сухой породы и умноженная на 100, составляет влажность в процентах.

Вычисление влажности породы производят с точностью до 0,1%, с последующим округлением результата до 0,1%, по формуле:

6.

Характерные значения влажности, при которых изменяется консистенция — физическое состояние глинистых пород, принято называть пределами пластичности. Наиболее важными из них являются предел текучести и предел пластичности. Простота и доступность методов определения пределов пластичности позволяют широко ими пользоваться для предварительной характеристики и оценки консистенции глинистых пород на разных стадиях инженерных изысканий. Для определения предела текучести стандартным методом необходимо иметь: стандартный балансирный конус, стаканчик диаметром не менее 4 см высотой не менее 2 см, технические весы, алюминиевые или стеклянные бюксы, эксикатор, сушильный шкаф, сито с диаметром отверстий 1 мм, ступку с резиновым пестиком, чашку фарфоровую диаметром 10 — 15 см, шпатель. Стандартный метод определения предела текучести состоит в следующем: берут кусок породы массой примерно 100 г, разминают шпателем, одновременно удаляя крупные включения, в том числе растительные остатки, и затем протирают через сито с диаметром отверстий 1 мм.

Породу помещают в фарфоровую чашку, замачивают ее дистиллированной водой, затем тщательно размешивают шпателем до образования однородной густой массы и оставляют на сутки для размокания. Чтобы вода в чашке не высохла, ее помещают в эксикатор с водой.

Подготовленную массу породы после размокания еще раз тщательно перемешивают и переносят в стаканчик прибора вровень с его краями. Поверхность породы заглаживают шпателем.

На поверхность породы устанавливают конус, предварительно смазав его тонким слоем вазелина, который погружается в породу под влиянием собственного веса. Если конус за 5 с не погрузится в породу на глубину 10 мм, считается, что влажность ее равна пределу текучести. Если конус за 5 с погрузится в породу на глубину менее 10 мм, то влажность ее ниже предела текучести. В этом случае породу перекладывают из стаканчика обратно в фарфоровую чашку, добавляют немного воды, тщательно перемешивают, затем наполняют стаканчик и повторяют испытание. Если конус за 5 с погрузится на глубину 10 мм, это указывает на избыток воды в породе. В этом случае породу подсушивают на воздухе, непрерывно или часто перемешивая шпателем. После подсушивания повторяют испытание.

Когда требуемая консистенция будет достигнута, из стаканчика берут навеску породы (не менее 15 г) в заранее взвешенный бюкс и определяют ее влажность, которая соответствует пределу текучести.

Стандартным методом определения предела пластичности является метод раскатывания породы в шнур. При определении предела пластичности этим методом используют массу породы, оставшуюся в чашке после определения предела текучести. Для определения предела пластичности необходимо дополнительно иметь стекло размером 10Х15 или 15Х20 см. Последовательность определения: глинистую породу доводят до пластичного состояния, переминая ее в руках и подсушивая на воздухе. берут часть приготовленной породы и раскатывают в шнур диаметром 3 мм, затем глинистый шнур собирают в комок и вновь раскатывают до тех пор, пока шнур из глинистой породы диаметром 3 мм не станет покрываться трещинами и крошиться на кусочки длиной 3 — 10 мм. Такое состояние породы указывает на то, что ее предел пластичности достигнут. Если из приготовленного глинистого теста невозможно раскатать шнур диаметром 3 мм (порода рассыпается), то считают, что данная порода не имеет границы раскатывания, т. е. она не обладает пластичностью.

Набрав 10 — 15 г крошек — кусочков породы, определяют ее влажность, которая и будет соответствовать пределу ее пластичности.

Определение прочности горных пород в приборах трехосного сжатия. Такие приборы называются стабилометрами. Испытания пород на трехосное сжатие правильнее моделируют их напряженное состояние в естественных условиях залегания и дают достаточно надежные данные о сопротивлении сдвигу, но они более сложны, чем испытания в срезных приборах. Поэтому они не могут быть массовыми в условиях производственных исследований. Горные породы в условиях естественного залегания находятся в сложном объемном напряженном состоянии, развивающимся под влиянием веса вышележащих масс (гравитационные силы) и тектонических сил, в меньшей мере — перепада температурных градиентов и др. При возведении сооружений напряженное состояние горных пород может уменьшаться и увеличиваться за счет перераспределения масс горных пород и воздействия внешних нагрузок. При этом если касательные усилия превысят внутренние силы сопротивления пород сдвигу, породы начинают разрушаться, наступает потеря их прочности.

В зависимости от прочности пород применяют различные стабилометры, позволяющие производить испытания пород при различных, и в частности, боковых давлениях. Таким образом, для определения прочности горных пород в приборах трехосного сжатия необходимо иметь следующее оборудование: стабилометр мощностью, соответствующей прочности пород, оборудование для определения плотности и влажности пород, часы-секундомер.

Камеральные работы.

Камеральные работы заключаются в окончательной обработке материалов, а также в составлении отчета с графическими и текстовыми приложениями. Материалы изысканий служат не только иллюстрацией, подтверждением и доказательством научных и практических выводов, но и ответственным документом. Важным разделом камеральных работ является статистическая обработка данных полевых и лабораторных исследований горных пород и расчетных показателей свойств горных пород для каждого слоя тела плотины и его основания. Анализ полученных геологических материалов, расчетных схем и других данных завершается окончательной формулировкой основных выводов и заключением об устойчивости и эксплуатации плотины.

В результате камеральной обработке должны быть получены следующие результаты: