Изучение состояния и свойств массивов горных пород методом самопроизвольной поляризации

Изучение строения и физических свойств массивов горных пород, служащих основанием и средой, вмщаю (ЦЕЙкрупные промышленные (гидротехнические) сооружения, является основной частью инженерно-геологических исследований на стадиях изысканий,' строительства и эксплуатации проектируемых объектов.

Существенной проблемой периода изысканий является исследование строения и свойств зоны приповерхностного естественного разуплотнения (разгрузки) массива пород, служащего основанием сооружений. Часто естественная разгрузка в значительной степени определяет не только устойчивость откосов, фильтрацию пород или неравномерность осадок возводимых сооружений, но и обусловливает повышение анизотропии деформационных и фильтрационных свойств оснований. Можно также предположить, что зона интенсивной разгрузки усиливает эффект сейсмических колебаний /4- <45/. Определяющим фактором в выборе местоположения или конструкции сооружений является также знание свойств, состояния и планового положения отдельных ослабленных горизонтов горных пород (например, глинистых прослоев), обладающих наиболее низкими физико-механическими показателями.

В период строительства особенно необходимо получение сведений о изменениях физических свойств и состояния пород, вызванных воздействием различных техногенных факторов, таких как выемка котлована, отсыпка тела плотины или укладка бетона, наполнение и срабатывание водохранилища при различных режимах эксплуатации станции и т. д. Зачастую эти изме.

— б неяия протекают на уровне субмолекулярных минропроцессов недоступных для непосредственных наблюдений и измерений In siiu прямыми методами исследований, такими как гидрогеологические или геотехнические. В то же время, несмотря на субмолекулярный характер изменений, их суммарный эффект может быть весьма значительным и оказать существенное, а порой и определяющее влияние на устойчивость сооружений и-соответственно, выбор инженерных решений, направленных на обеспечение надежности и долговечности строящихся объектов.

Большую роль в изучении физических свойств пород и их изменений во времени играют методы инженерной геофизики, причем доминирующее положение в этом занимают сейсмоакустические, активные электрометрические и радиационные методы исследований. Однако не все вопросы, возникающие в процессе изысканий и строительства, могут одинаково успешно решаться указанными методами. К их числу относятся: изучение характера распределения естественных напряжений (разгрузКи) в днищах крупных речных долин при отсутствии или слабом проявлении трещинного разуплотнения пород, определение истинной мощности зоны техногенного разуплотнения пород и суммарной величины упругого отпора дна котлована при его проходке невзрывным способом, изучение кинетики процесса разуплотнения, кинетики оползневых процессов, выделение в разрезе маломощных (1−5 см) ослабленных глинистых пропластков и определение их сдвиговых характеристик при практическом отсутствии образцов пород и др. Решение подобных и ряда других задач большинством традиционно применяемых геофизических методов зачастую проблематично либо из-за недостаточной разрешающей способности, чувствительности методов, отсутствия четких физических критериев, либо тот или иной метод находится еще в стадии эксперимента и методических разработок.

В связи с этим, приобретает актуальность применение методов, основанных на использовании геофизических полей, способных существенно, а то и радикально трансформироваться или менять свою сущность при слабом отклонении системы от состояния равновесия, — полей, реагирующих на изменения, происходящие на субмолекулярном уровне. Одним из таких методов является метод естественного электрического поля, природа и сущность которого полностью отвечают изложенным выше требованиям.

Целью настоящей работы является изучение возможностей метода естественного электрического поля (ЕЭП) в определении и оценке физических свойств и состояния массивов горных пород в основании крупных промышленных сооружений на различных стадиях их проектирования и возведения.

Достижение указанной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

1. Изучения особенностей и природы потенциалов естественного электрического поля в высокодисперсных геологических средах: а) в естественных условиях сформировавшихся речных долинб) в условиях крупных открытых искусственных выработок (котлованов ГЭС).

2. Определения основных физико-механических свойств расчетных (глинистых) горизонтов: глинистости, коэффициента внутреннего трения.

3. Определения мощности зоны техногенного разуплотнения и суммарной величины упругого отпора пород в основании сооружений при выемке котловановизучения кинетики техногенного разуплотнения пород.

4. Исследования кинетики оползневых процессов в массивах высокодисперсных горных пород.

Научная новизна работы.

1. Изучены особенности и природа потенциалов естественного электрического поля (Ucn) в высокодисперсных геологических средах в естественных условиях сформировавшихся речных долин. Установлены основные причины, влияющие на изменение самопроизвольной поляризации пород (СП) во времени и кинетику этого процесса на основных геоморфологических участках долины. Выявлен характер действия различных факторов на интенсивность наблюдаемых аномалий СП.

2. Исследованы особенности и природа потенциалов естественного электрического поля в условиях крупных искусственных выработок (котлованов), закономерность и характер их изменений во времени.

Обнаружено и исследовано явление инверсии потенциаловUcn в разуплотняющейся части разреза.

3. Установлена закономерность изменения мощности зоны техногенной разгрузки пород по мере углубления искусственной выработки (котлована) — исследована кинетика процесса техногенного разуплотнения.

4. На основе закона релаксации величин, характеризующих достаточно малое отклонение от состояния равновесия, получены общая и частные функциональные зависимости, описывающие изменение диффузионно-адсорбционной ЭДС во времени и отвечающие различным условиям формирования потенциала, как в естественных, так и в нарушенных техногенными факторами условиях.

5. Предложена методика определения мощности зоны техногенного разуплотнения пород при снятии с них «бытовой нагрузки» (выемке котлована). Разработан способ определения суммарной величины уцругюго отпора дна котлована при его проходке.

6. Предложена методика определения по данным ЕЭП процентного содержания нерастворимого остатка (глинистости) и коэффициента внутреннего трения пород глинистой фракции «tg ф).

7. Разработана методика режимных наблюдений методом СП за кинетикой процесса распределения напряжений в теле активного оползня с выявлением потенциальных плоскостей скольжения.

Практическая ценность работы. Рекомендованный рациональный комплекс исследований позволяет на стадии изысканий без дополнительных затрат существенно дополнить геотехнические и лабораторные работы по определению части основных расчетных физико-механических показателей пород, а также радикально ускорить процесс их получения и обработки. Дать полную информацию о распределении этих показателей по всему исследуемому массиву как в плане, так и в разрезе, что позволяет более обоснованно выбрать участок возведения основных сооружений проектируемого объекта.

В период строительства — точно определить глубину зоны техногенного разуплотнения пород, оценить суммарную величину упругого отпора дна котлована основных сооружений. Это позволяет, в свою очередь, скорректировать конструкцию возводимых сооружений, уточнить величину их осадки на различных участках основания, своевременно принять необходимые меры защиты против возникающих под влиянием выемки породы негативных явлений (увеличения фильтрации подземных вод, трещи-новатости, ослабления физико-механических показателей пород и пр.).

Кроме того, возможность определения без дополнительных трудозатрат величины упругого отпора пород и модуля полной упругости с помощью метода СП и геотехнических лабораторных исследований, позволяет свести к минимуму заложение с той же целью дорогостоящих глубинных геодезических марок или, по крайней мере, контролировать независимым способом результаты геодезических наблюдений.

Знание местоположения потенциальных плоскостей скольжения и степени активности оползневых процессов позволяет определить объем угрожающей сползанием массы пород и своевременно принять необходимые меры по предупреждению грозящей опасности.

Результаты работы внедрены институтом «Гидропроект» при окончательном выборе створа и строительстве крупного гидротехнического сооружения ГЭС «Табка» в Сирийской Арабской республике, а также при изучении устойчивости оползневых склонов на Загорской ГАЭС.

Основные положения диссертационной работы изложены в 9 публикациях автора (в том числе одна в печати) и 3-х отчетах. Освещались на научно-технических конференциях института «Гидропроект» (Ленинград, 1980; Солнечногорск, 1984), УП Всесоюзном семинаре-совещании «Применение геофизических методов в гидрогеологии и инженерной геологии (Пасанаури, 1981), на научном семинаре кафедры геофизики геологического факультетаМГУ, на Всесоюзной конференции «Применение геофизических методов при изучении скальных оснований (Солнечногорск, 1985) и на научно-техническом совете института «Гидропроект» .

Диссертационная работа выполнена на кафедре геофизических методов исследований земной коры геологического факультета Московского Государственного университета имени М. В. Ломоносова и в научно-исследовательском и проектно-изыскатель-ском институте «Гидропроекти имени С. Я. Жука Министерства энергетики и электрификации СССР. Она содержит Ш5 страниц машинописного текста, 32 рисунка и I таблицу.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору А. А. Огильви за ценные советы и помощь, оказанныЕ в процессе написания диссертацииискреннюю признательность и благодарность за помощь и деловые советы заместителю главного инженера института «Гидропроект? кандидату геолого-минералогических наук И. А. Парабучеву и начальнику отдела геофизических изысканий и исследований, доктору физико-математических наук А. И. Савичукандидату геолого-минералогических наук К. С. Чумакову, под непосредственным руководством и деятельной поддержке которого автором был осуществлен комплекс натурных экспериментальных исследованийА.А. Тышкевичу — за помощь и консультацию в проведении ряда геотехнических расчетов, а также всем коллегам — изыскателям и руководству института «Гидропроект», оказавшим содействие в выполнении диссертационной работы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ У.

1. Разработана методика режимных наблюдений за изменением потенциала Ucn во времени с обеспечением необходимой чистоты эксперимента.

2. Установлена возможность однозначного выявления по данным каротажа методом СП маркирующих (глинистых) горизон.

— 173 тов в мергелисто-меловой толще пород независимо от их состояния, мощности и степени глинистости. Осуществлено дополнительное, более детальное расчленение визуально однородной толщи мелов. Уточнено инженерно-геологическое строение участка, схема его тектонического строения.

3. Выявлена возможность определения по данным каротажа методом естественного электрического поля процентного содержания нерастворимого остатка в глинистых горизонтах и, соответственно, коэффициента внутреннего трения пород (tcj ^) -основного прочностного показателя в рассматриваемых инженерно-геологических условиях. Получены эмпирические зависимости для расчета % НО и ср .

4. На основе полученных зависимостей построены детальные карты распределения % НО для расчетных глинистых горизонтов (рj Q * Я • 3), что дало возможность выбрать место расположения основных бетонных сооружений гидроузла в наиболее благоприятных условиях, а также провести обоснованный расчет их устойчивости, разработать оптимальный и экономичный вариант конструкции и компоновки.

5. Определена глубина зоны техногенного разуплотнения пород в котловане здания ГЭС по разным его сечениям.

6. Установлен нелинейный характер изменения глубины зоны техногенного разуплотнения пород в зависимости от величины снятой нагрузки в условиях ограниченной искусственной выработки.

7. Разработана и внедрена методика определения суммарной величины упругого отпора дна котлована (а И уо) комплексом электрометрических (СП) и геотехнических методов. Результаты определений, а Яу0 и исследовэний кинетики рэзуплот.

— 174 нения пород полностью подтверждаются данными независимых геодезических наблюдений.

8. Разработана и внедрена методика режимных наблюдений методом СП за процессом формирования, распределения и перераспределения напряжений и сопутствующих им деформаций в теле активного оползня с целью прогнозирования его подви.

•гр тг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом выполненных по теме диссертации исследований является установление единой природы и закона изменения во времени потенциала естественного электрического поля диффузионно-адсорбционного происхождения как в естественных условиях, так и в условиях открытой искусственной выработки, а также непосредственное использование полученных закономерностей и связей при проектировании и возведении крупных гидротехнических сооружений.

— Значительная часть диссертации посвящена изучению потенциала естественного электрического поля в высокодисперсных геологических средах, особенностей и закономерностей его изменения во времени в различных условиях формирования, уточнению и интерпретации физического смысла обнаруженных фактов, порой весьма неожиданных, как например, эффект инверсии потенциала в искусственных выработках.

— Большое внимание уделено методике и технике опытных исследований, разбору возможных помех и способов их устранения. Особый акцепт делается на практическое использование результатов опытных работ на различных этапах осуществления проекта, начиная от выбора участка расположения сооружений икончая стадией строительства объекта.

— Полученные на основе натурных исследований дополнительные теоретические данные, эмпирические зависимости и связи и выполненные на их основе методические разработки сопоставлялись и проверялись другими независимыми методами инженерно-геологических изысканий, включая геотехнические, гидрохимические и геодезические, полностью подтвердившими правильность теоретической интерпретации обнаруженных фактов п достоверность полученных сведений.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований следующие:

1. Установлен единый закон изменения во времени потенциала естественного электрического поля диффузионно-адсорбционного происхождения в различных условиях его формирования (естественных и нарушенных). Получены соответствующие функциональные зависимости, отображающие установленный закон, разобран физический смысл явлений становления и спада потенциала Ucn.

2. Обнаружен и исследован эффект инверсии потенциала Ucn во времени, определен и изучен его физический смысл, особенности и закономерности проявления.

3. Сформулированы основные особенности спада потенциала LL сп во времени для различных участков долины. На этой основе определены критерии районирования пород по степени их естественного разуплотнения.

4. Рассчитаны семейства теоретических кривых спада потенциала для различных условий его формирования, позволяющие по данным метода СП оценить ряд параметров, характеризующих массив по водопроницаемости, глинистости, естественной и техногенной разуплотненности (включая кинетику процесса разуплотнения).

5. Получены эмпирические зависимости для определения по данным каротажа методом СП процентного содержания нерастворимого остатка в глинистых (расчетных) горизонтах и коэффициента внутреннего трения пород, что позволило, в конечном итоге, определить местоположение проектируемого гидроузла в наиболее бланоприятных условиях, а также произвести обоснованный расчет устойчивости основных бетонных сооружений ГЭС, выбрать оптимальный вариант их компоновки и конструкции.

6. Установлен нелинейный характер изменения глубины зоны техногенного разуплотнения пород в зависимости от величины снятой нагрузки в условиях ограниченной искусственной выработки.

7. На основе использования эффекта инверсии потенциала U сп во времени и лабораторных геотехнических исследований образцов пород, разработана и опробована методика определения величины суммарного упругого отпора дна котлована (Л К"п) и модуля полной упругости пород. у о.

Сопоставление результатов определений, А Куо методом СП с данными метода глубинных геодезических марок показали хорошую сходимость (среднее расхождение порядка 955).

8. Разработана и внедрена методика режимных наблюдений методом СП за кинетикой активных оползневых образований с целью прогнозирования их подвижек.

9. Натурные исследования природы и особенностей потенциала естественного электрического поля в высокодисперсных геологических средах показали широкие, неиспользованные ранее возможности метода СП при изучении природных.

— 177 инженерно-геологических условий оснований крупных гидротехнических сооружений. Позволили существенно увеличить информативность метода, включить в сферу рассматриваемых им вопросов задачи, казалось бы далекие от традиционной ориентировки и физических предпосылок метода, но, как оказалось при ближайшем рассмотрении, успешно им решаемые.