Введение к работе
Противофильтрационные и укрепительные мероприятия являются составной частью подземного контура большинства гидротехнических сооружений. Состав их в сооружениях, возводимых на скальных и полускальных основаниях, включает цементацию трещиноватых и трещиновато-пористых грунтов с целью создания глубоких противофильтрационных завес; укрепительную и уплотнительную цементацию крупных трещин, тектонических нарушений, пустот карстующихся пород, контактных зон оснований с бетонными сооружениями; дренажи различных конструкций и назначений.
В нескальных грунтах противофильтрационные мероприятия в основаниях сооружений чаще всего включают устройство противофильтрационных завес методами инъекции в поры несвязных грунтов проникающих растворов на основе высококачественных глин, силиката натрия и других химических композиций, "стена в грунте" из твердеющего и нетвердеющего материала-заполнителя, струйной технологии цементации, дренажей.
Эффективность и роль противофильтрационных мероприятий (завес и дренажей) в различных природных условиях оснований и конструкций подземного контура гидротехнических сооружений может быть весьма различной.
Обоснование их параметров, конструктивных и технологических решений, материалов противофильтрационных и укрепительных мероприятий производится расчетами и исследованиями фильтрации, фильтрационной прочности и напряженно-деформированного состояния основания, реологических и деформационно-прочностных свойств применяемых растворов и материалов. Корректировка принятых в проекте решений, контроль состояния и фактическая эффективность противофильтрационных мероприятий осуществляется По данным натурных наблюдений за фильтрацией с учетом этапности строительства сооружений и наполнения водохранилища.
Мировой опыт строительства крупных гидроузлов, аварии на гидроузлах Вайонт (Италия), Мальпассе (Франция), Титон (США) показывают, что роль противофильтрационных и укрепительных мероприятий в основаниях гидротехнических сооружений существенна, надежность сооружений во многом определяется эффективностью и надежностью подземного контура. Большая ответственность крупных гидротехнических сооружений предопределяет необходимость детальной оценки инженерно-геологических условий площадки строительства, определения реальных значений гидрогеологических параметров в пределах все"й активной области фильтрации, достоверного прогноза параметров и характера фильтрационного потока, эффективности противофильтрационных мероприятий, что может служить решением важнейших проблем прикладной гео- и гидромеханики в строительстве.
В настоящем докладе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований гидрогеологических параметров и построения модели водопроницаемости оснований, фильтрации в неоднородных, неоднородно-атіизотропньгх и трещиноватых основаниях при наличии противофильтрационных мероприятий и завес, гидравлики, реологических и противофильтрационных свойств инъекционных растворов и материалов, эффективности подземного контура, противофильтрационных и укрепительных мероприятий реальных объектов. Исследования выполнены как с целью научного обоснования проектных решений противофильграционных мероприятий и завес по конкретным объектам строительства, так и разработки и развития общих задач геомеханики оснований сооружений.
Исследования выполнялись в период с 1965 по 1993 г.г. в институте "Гидроспец-проект" и на строительных площадках ряда объектов по планам ПИ? института, которые определялись плановыми заданиями Минэнерго СССР (Минтопэнерго РФ) и координационными планами важнейших государственных научно-технических программ ГКНТ при Совете Министров СССР.
Актуальность темы. Несмотря на успешное строительство и эксплуатацию целого ряда крупных гидроузлов в нашей стране и за рубежом, известные достижения в части научного обоснования проектных решений подземных контуров гидротехнических сооружений и укрепления их оснований (ВНИИГ, Гидропроект и его отделения, Гидроспешроект, МГСУ, МГМИ, ВОДГЕО, МГУ, ЛГУ, НИИОСП, и др.), вопросы построения и обоснования фильтрационных моделей, расчета процесса формирования и прогнозирования эффективности противофильтрационных и укрепительных мероприятий, фильтрации в неоднородных основаниях требуют дальнейшего развития. Разработка этих задач предусматривалась государственными программами по решению важнейших научно-технических проблем в области гидротехнического строительства: "Усовершенствовать методы исследований и расчетов фильтрации, суффозии и фильтрационной прочности оснований гидросооружений и разработать эффективные решения, обеспечивающие надежность и экономичность высоконапорных гидросооружений в сложных природных условиях" (тема 0.01.280Г); "Усовершенствовать методы фильтрационных расчетов оснований гидросооружі .іий и разработать способы оценки водопроницаемости скальных пород с учетом их напряженного состояния" (тема 0.01.); "Исследование напряженно-деформированного состояния противофильтрационных стенок" (тема 0.01.05.09.Н96).
Целью работы является разработка методов исследований и расчета, рекомендаций, направленных на повышение уровня и эффективности научного обоснования изысканий, проектирования и выполнения противофильтрационных и укрепительных мероприятий в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях оснований, обеспечивающих надежность гидротехнических сооружений, снижение стоимости и сроков их строительства.
Для реализации поставленной цели решались задачи:
построения фильтрационных моделей скального основания на основе данных инженерно-геологических изысканий, режимных наблюдений и обратных задач фильтрации;
оценки влияния крупных трещин и зон тектонических нарушений, неоднородности и анизотропии пород, противофильтрационных завес и дренажей на характер фильтрации в различный период строительства и наполнения водохранилища;
-разработки методов расчета и моделирования плоской и пространственной фильтрации с учетом реальных гидрогеологических условий, наличия подземных выработок и сооружений, противофильтрационных завес и дренажей;
разработки методики исследований реодинамики инъекционных растворов и определения их реологических параметров по данным опытных прокачек по трубам и щелям;
гидравлики дисперсных вязко-пластичных тиксотропных жидкостей в трубах и щелях;
напряженно-деформированного состояния и фильтрационной прочности противофильтрационных завес, выполняемых методом "стена в грунте";
эффективности противофильтрационных завес и дренажей на конкретных объектах по данным натурных наблюдений за фильтрацией;
разработки рекомендаций и требований, направленных на повышение уровня изысканий, проектирования и сооружения противофильтрационных и укрепительных
мероприятий в скальных и нескальных основаниях гидротехнических сооружений для включения в нормативно-методические документы.
Состав и методы исслелований.Выполненный комплекс работ включает: исследования фильтрационных свойств, водопроницаемости и фильтрационной прочности естественных и заинъектированных грунтов, противофильтрационных завес, характера фильтрации в элементах подземного контура сооружений, физико-механических и реологических свойств инъекционных растворов и материалов, применяемых для противофильтрационных завес, разработку приборов и установок, методов исследований, расчета и контроля фильтрации и эффективности противофильтрационных завес, а также требований и рекомендаций по обеспечению надежности противофильтрационных мероприятий и завес. Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические иэкспериментальные методы. При выводе теоретических зависимостей использовались представления и методы гидромеханики и гидравлики жидкости, рео^ логии вязко-пластичных тиксотропных жидкостей, теории упругости и пластичности, механики скальных пород и сплошной среды, положения инженерной геологии и гидрогеологии. Экспериментальные исследования проводились на физических и аналоговых моделях, специально Сконструированных установках с автоматизированной регистрацией исследуемых параметров, в массивах грунтов гидрогеологическими и геофизическими методами в скважинах. Научное обоснование экспериментальных данных производилось статистическим и корреляционным анализом.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
-
Разработаны способы определения водопроницаемости и построения фильтрационной модели скальных оснований гидротехнических сооружений;
-
Разработаны методы моделирования и расчета фильтрации в основаниях плотин с учетом их неоднородности, анизотропии, наличия противофильтрационных и укрепительных мероприятий, Подземных сооружений, горных выработок и дренажей различных конструкций;
. 3. Решена задача плоской фильтрации в основании плотины при наличии трещин (нарушений) в противофильтрационной "стене в грунте";
-
Разработана методика определения реологических параметров инъекционных растворов по результатам их опытных прокачек по трубам и щелям, получены качественно новые данные по реологии бентонитовых и цементных растворов, в том числе с пластифицирующими и морозостойкими добавками;
-
Решены уравнения движения в щелях (трещинах) и трубах вязкопластичных тиксотропных жидкостей, получены формулы для расхода, числа Рейнольдса,коэффициента гидравлического сопротивления, соотношений гидравлических параметров при движении этих жидкостей в трубах и щелях;
-
Исследовано напряженно-деформированное состояние и фильтрационная прочность противофильтрационных "стен в фунте", определены условия и возможность трещинообразования, механизм размыва трещин, критические градиенты напора и скорости фильтрации;
-
Разработан алгоритм подбора материала-заполнителя противофильтрационных "стен в грунте", свойства которого по фильтрационной прочности удовлетворяют' конкретным условиям проектируемого сооружения;
-
Выполнены натурные исследования фильтрации, анализ эффективности противофильтрационных и укрепительных мероприятий на конкретных объектах в процессе строительства, наполнения водохранилищ и эксплуатации сооружений.
Научное значение работы определяется разработкой основ построения фильтрационной модели, расчета и моделирования фильтрации в скальных основаниях гидротехнических сооружений с учетом природных условий и конструкции подземного
контура, расчета противофильтрационных завес, в том числе противофильтрационных "стен в грунте" в нескальных основаниях, гидравлики и определения реологических параметров инъекционных растворов, оценки эффективности противофильтрационных и укрепительных мероприятий. ,
Практический выход работы заключается в следующем:
разработан на уровне изобретений ряд новых и усовершенствованы некоторые известные методы определения фильтрационных, гидравлических и реологических параметров грунтов, инъекционных растворов и противофильтрационных материалов;
разработан ряд новых решений и методов расчета и моделирования фильтрации и эффективности противофильтрационных завес в основаниях гидротехнических сооружений;
-получены фактические данные о деформационных, прочностных, фильтрационных и реологических характеристиках противофильтрационных материалов и инъекционных растворов, позволившие выполнить их обобщение и составить рекомендации по значениям характеристик для проектирования противофильтрационных и укрепительных мероприятий;
-разработаны требования к материалам, противофильтрационным и укрепительным мероприятиям, которые использованы при составлении ряда общесоюзных и ведомственных нормативно-методических документов^СНиП, ВСН, РД), касающихся исследовании, проектирования, производства противофильтрационных и укрепительных мероприятий в основаниях гидротехнических сооружений.
Внедрение результатов исследований. Разработанные способы расчета и исследований, критерии и методы оценки эффективности противофильтрационных мероприятий и завес нашли применение:
при обосновании проектных решений подземного контура и уплотнения грунтов в основаниях сооружений Нурекской, Токтогульской , Чиркейской, Ингурской, Сая-но-Шушенской, Миатлинской, Худонской, Усть-Илимской, Курпсайской, Богучан-ской, Рогунской, Колымской, Ирганайской ГЭС, Ахангаранской, Андижанской, Кировской, Туполангской, Азатской, Арпа-Чайской плотин, Асуанской плотины в АРЕ, Табка ГЭС и гидроузла Тишрин в САР, гидроузлов Аль-Кадиссия в Республике Ирак и Хоабинь в СРВ, Чернобыльской и Ровенской АЭС, АЭС Хурагуа на Кубе и других объектах;
при проведении натурных наблюдений, анализе фильтрации и эффективности противофильтрационных завес на многочисленных энергетических, мелиоративных и ирригационных объектах, обобщении результатов исследований и включения требований и норм во Всесоюзные, ведомственные и другие нормативно-методические документы, в частности, в СНиП 2.02.02-85, в пособие П13-83 к главе СНиП Н-16-76, СН-477-75, ВСН 34-83 (Минэнерго СССР), ВСН 34 23.056-90 (Минэнерго СССР), П.21-82 (ВНИИГ), 11-865-88 (Гидропроект), РСН 316-88 (Госстрой УССР), по которым автор был одним из исполнителей и руководителей разделов противофильтрационных мероприятий и завес;
при разработке на уровне изобретений, различных установок, методов исследований, конструкций сооружений и приборов, инъекционных материалов, их.изготовлении и использовании при проведении исследований и обосновании проектных решений.
Ог внедрения результатов исследований, по которым автор был руководителем и ответственным исполнителем, получен существенный экономический эффект. За разработку технических решений по уплотнению закарстованных мелов в основаниях сооружений Ровенсхой АЭС и требований к завесам, выполняемым методом "стена в грунте", автор награжден медалями ВДНХ.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 27 Всесоюзных совещаниях, а также на 6 Международных конгрессах, конференциях и симпозиумах. В частности, они апробировались:
в СССР: по методам исследований, расчета и моделирования фильтрации (Ленинград, Киев- 1965,1967,1969,1971,1973), по методам натурных исследований и оценки состояний гидротехнических сооружений (Ленинград, Москва, Махачкала, Зугдиди -1973,1975, 1977, 1979, 1981, 1989, 1991), по закреплению грунтов и усилению оснований сооружений (Ленинград, Волгодонск, Уфа - 1971, 1986, 1990), по проектированию и исследованиям противофильтрационных завес и "стены в грунте' (Баку, Киев, Москва, Нарва - 1972, 1975,1977, 1981, 1982, 1990, 1991), по проблемам экологии (Москва - 1990 ), по уплотнению закарстованных грунтов в основаниях сооружений (Уфа, Москва, Самара- 1984,1986, 1990), пореологии'бетонных смесей (Рига- 1986);
на международных симпозиумах, конференциях, конгрессах: по фильтрации воды в пористых средах (Киев - 1976 ), Европейской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Вена, Флоренция -1976, 1991 ); Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению (Стокгольм - 1981 ), Конгрессе международной комиссии по большим плотинам (Вена - 1991 ), Международной конференции по проблемам свайного фундирования (Минск - 1992 ).
Результаты исследований рассматривались на научно-техническом совете Минэнерго СССР, Ученых советах и секциях НИИОСП, ВНИИГ, МГМИ, Технических сонетах Гидропроекта и его отделений, Гидроспецпроекта.
Публикация. Представленные к защите результаты опубликованы персонально и в соавторстве в 107 печатных работах в отечественных и зарубежных изданиях, в том чисте: в I книге, в 8 докладах в трудах Международных конгрессов, конференций и симпозиумов, а также включены в 8 Всесоюзных и ведомственных нормативно-технических документов. Автором лично и в соавторстве разработано 22 изобретения. В прилагаемом к докладу списке опубликованных работ приведены только основные публикации и внедренные изобретения, а также нормативно-технические документы, в которых использованы результаты исследований автора.
Личный вклад автора в разработку основ обоснования, расчета и оценки эффективности противофильтрационных мероприятий и завес в основаниях гидротехнических сооружений определяется тем, что им одним из первых в нашей стране проведены оригинальные натурные, модельные и теоретические исследования по указанным вопросам, результаты которых обобщены и внедрены при научном обосновании проектных решений подземного контура ряда гидроузлов.
В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат основные идеи методологии модельных и натурных исследований, разработки конструкций и устройств, научное руководство и непосредственное участие в экспериментальных, расчетных и теоретических исследованиях, обобщение научных результатов, формулирование выводов и разработка рекомендаций. Исследования, расчеты, разработки установок и приборов, а также некоторые теоретические и расчетные разработки совместно с автором выполняли сотрудники Гидроспецпроекта.
Основные положения и выводы по докладу получены лично автором и при его непосредственном участии. .
В проведении модельных и натурных исследований, расчетов, во внедрении их результатов участвовали Ю.М.Агапкин, В.А.Ашихмен, И.Г.Гальперин, Н.В.Герстле, А.Д.Гусаров, Л.Г.Гусева, Г.Ф.Дагаев, А.Г.Кабанов, В.М.Королев, К.А.Лопшов, Т.П.ГТа-халюк П.У.Пониматкин, В.Г.Скоков, Г.Г.Тужихин, М.Ф.Хасин, Н.И.Шевченко, Г.С.Эткин и ряд других сотрудников, которым автор выражает свою причин гелыюсть за их помощь в работе.
На защиту выносятся:
-
Фильтрационная и математическая модели скальных оснований, методы их построения и реализации, решения и моделирования задач фильтрации при обосновании противофильтрационных и укрепительных мероприятий.
-
Реологические свойства, реодинамика и гидравлика инъекционных растворов, применяемых для противофильтрационных и укрепительных мероприятий, способы определения реологических и гидравлических параметров.
-
Напряженно-деформированное состояние и фильтрационная прочность противофильтрационных завес, выполняемых методом "стена в грунте".
-
Эффективность противофильтрационных завес в основаниях гидротехнических сооружений по данным натурных наблюдений.
