Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем инженерной геологии является оценка устойчивости природных склонов. Не менее важна оценка ' устойчивости искусственных откосов, плотин, насыпей дамб и бортов карьеров и котлованов. Наибольшее значение необходимость оценки устойчивости склонов и откосов приобретает в условиях вовлечения склонов в сферу хозяйственной деятельности, когда предполагается подрезка или планировка склонов, когда на склонах или в склонах проектируется строительство сооружений различного назначения -плотин, трубопроводов, тоннелей, горных выработок и т.п., когда склоны становятся объектом сельскохозяйственного освоения и в других случаях.
Оценка устойчивости склонов на современном научном уровне невозможна без изучения напряженно-деформированного состояния массивов пород, слагающих склоны, "и обусловлена очень большим числом разнообразных 'факторов. Только детальное выявление зависимости величины напряжений и положения зон концентрации от морфологии, крутизны и высоты склонов,''геологического строения и свойств пород, слагающих склони, от разнообразных внешних воздействий, как естественных, так и техногенных предоставит возможность уверенного решения вопроса оценки устойчивости природных склонов и искусственных откосов и позволит прогнозировать их поведение как в ходе их естественного развития, так и в случае проведения в пределах склонов строительных работ или при хозяйственном их освоении.
Изучение напряженно-деформированного состояния пород склонов необходимо выполнять на всех стадиях инженерно-геологических изысканий для решения таких вопросов как выбор места расположения сооружений и хозяйствешшх объектов, определение характера и степени влияния различных сооружений на перераспределение напряжений в породах склонов, проектирование комплекса мероприятий по защите территорий и сооружений от неблагоприятных последствий склоновых процессов.
Таким образом, проблема исследования напряженно-деформированного состояния массивов пород склонов в силу ее
значимости для решения многих практических и научных вопросов представляется весьма актуальной.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы - изучению .напряженно-деформированного состояния массивов пород природных склонов. Работа выполнялась автором, начиная с 197-2 года, на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды Геологического факультета МТУ в соответствии с планом научно-исследовательских работ по следующим госбюджетным и хоздоговорным темам: "Геологические закономерности развития обвалов, оползней и селей в горных районах Таджикистана и Киргизии" {& г.р. 72032771, 1971-1980 г.г.); " Исследование устойчивости высоких склонов сложного геологического строения методами сравнительно-геологическими, инженерно-геологического моделирования и аналитическими" \№ г.р. 72025796, 1972-1980 г.г.);"Изучение устойчивости оползневых склонов района плотины и водохранилища Могилев-Подольского гидроузла р.Днестр" (J* г.р. 74062952, 1973-1975 г.г.); " Инженерно-геологические исследования для обоснования схемы инженерной защиты от оползней, обвалов и селей территории бассейна р.Зеравшан" (J* г.р. 76034056, 1978-1981 г.г.); "Изыскательские тематические инженерно-геологические работы по изучению устойчивости склонов рек Днестра и Сокиряны в районе размещения сооружений Днестровской ГАЭС" (J6 г.р. 80033583, 1979-1981 г.г.);"Разработка и совершенствование методов инженерно-геологического изучения и оценки устойчивости склонов" (J6 г.р. 018160Q1082, План НИР АН СССР 3.1.13.7 т.З.с.13 и приказ МТУ J6 409 от 31.03.80 г., 1981-1985 г.г.); "Инженерно-геологическое изучение геологических процессов и прогноз их развития в связи с рациональным использованием и охраной геологической среда (№ г.р. 01870042286, 1986-1990 г.г.); "Изучение основных компонентов и режима геологической среды под влиянием природных и техногенных факторов на геодинамических полигонах Таджикистана (№ г.р. 01850000712, 1984-1989 г.г.); "Оценка устойчивости склона и фильтрации из верхнего бассейна на участке основных сооружений Средне-Волжской ТАЭС-2." (№ г.р. 01850000712, 1984-1989 г.г.); '"Изучение сейсмоустойчивости склонов и динамики сейсмогенных оползней в лессовых породах на примере Хаитского участка
Гарм-Сурхобского геодинамического полигона." (Пост. СМ СССР
* 183 от 07.03.78 И СМ Тадж.ССР J6 152 от 15.05.78, ,1990-1991
г.г.) и ряда других, в выполнении которых автор принимал
участие в качестве ответственного., исполнителя, а в последние
года как научный руководитель. '
Целью диссертационной работы является установление величин и закономерностей распределения напряжений в массивах пород природных склонов в зависимости от их строения и внешних воздействий и разработка-- методики изучения напряженно-деформированного состояния пород ^склонов ,сложного геологического строения на основе использования методов математического моделирования.
Основные задачи исследования следующие:" с' 1. Установить величины и характер распределения напряжений в массивах пород склонов различного геологического строения.
-
Выявить влияние на напряженное состояние массивов пород склонов различных'факторов в количественном выражении.
-
Разраббтать методику изучения напряконно-деформированно-го состояния пород склонов на основа использования численного моделирования.
- Основная идея работы заключается в создании методики количественной оценки напряженно-деформированного состояния массивов пород склонов', обладающих сложным геологическим строением и находящееся под воздействием различных внешних воздействий, с целью прогноза их устойчивости.
Методы, исследования включают полевое инженерно-геологическое изучение склонов и происходящих на них процессов, обобщение опыта изучения напряженно-деформированного состояния массива пород склонов полевыми и лабораторными способами, применение различных методов математического моделирования с широким использованием ЭВМ.
Научные положения, выносимые на защиту, следующие: ~. Общее поле напряжений/ в массивах горных пород, слагающих склоны, формируется гравитационным полем Земли.и морфологией склона. Перераспределение напряжений в массивах пород склонов определяется их геологическим строением и свойствами: анизотропией, частым переслаиванием пород с различными упругими
свойствами и др. Закономерности в перераспределении напряжений вызываются совместным действием многочисленных факторов (формой склонов, силовыми причинами, особенностями внутреннего строения пород и техногенным вмешательством), реакция' на которые является локальной.
2. Величины напряжений и расположение зон их концентрации зависят от сочетания действующих в слагающих склоны ,массивахч пород факторов. Концентрация напряжений возникает в основании и нижних частях склонов, а также на контактах пород с различными свойствами, вблизи трещин, '-в местах приложения дополнительных нагрузок и т.д. Вклад каждого фактора в изменении величин напряжений оценивается с помощью коэффициента концентрации.
3.Сейсмическое воздействие формирует две зоны концентрации напряжений: в области, где падающая волна встречается с поверхностью склона, и там, где направление распространения волны' совпадает с касательной к склону. При взаимодействии падающих и отраженных волн первая зона концентрации перемещается вдоль поверхности ---склона вверх, а во второй напряжения, достигнув максимальных величин, уменьшаются до номинальных.Этот процесс периодически;повторяется.
-
В неоднородных массивах, состоящих из нескольких периодически переслаивающихся пород различной жесткости, распределение напряжений подчиняется закономерностям, характерным как для неоднородных, так и для анизотропных массивов. В этом случае расположение зон концентрации тесно связано с взаимным соотношением направления склона и плоскостей анизотропии, в том числе и при заложении долин вдоль осей складок. Концентрация напряжений в жестких породах слоистого массива происходит в нижних частях склона, где падение пород совпадает со склоном, а е мягких слоях того же массива -сна противоположном склоне.
-
Методика исследования напряженного состояния .массивов пород, слагающих склоны, основывается на.комплексном применении различных методов с широким использованием. математического моделирования, что позволяет проводить это изучение на всех стадиях инженерно-геологических изысканий. Существенным методическим положением является последовательность учета всех факте ту .-в, обуславливающих распределение напряжений, так как оценіс-! их влияния на напряженное состояние массивов горных
пород склонов треоует применения различных подходов в разных модификациях численного моделирования.
Достоверность научных положений и выводов обосновывается применением современных методов математического (аналитического и численного) моделирования, включающих несколько разновидностей вариационно-рьзнрстных способов, метод конечных элементов и метод граничных элементов, сопоставимостью полученных результатов с данными полевых и лабораторных экспериментальных исследований и соответствием их физическим представлениям.
Научная новизна работы заключается в следующем: ~ Обоснована и разработана методика исследования напряхенно-деформировакного состояния массивов пород, слагающих природные склоноы, основанная на комплексном использовашш различных кодификаций математического моделирования и обеспеченная пакетом вычислительных программ.
-
Установлены закономерности распределения напряжений в массиве пород склонов в зависимости от его 'формы, неоднородности строения, условий залегания пород, анизотропии' их сеойств, степени трещиноватости и других факторов.
-
Определено влияние на напрякенно-деформированное состояние массива пород склонов таких факторов, как наличие трещин, тектонических сил, сейсмического воздействия, техногенных причиной других.
-
Установлено положение и размеры зон концентрации . напряжений в различных по строению и свойствам массивах пород по отношению к склону и впервые дана количественная оценка вклада каждого-фактора в формирование напряженного состояния массива пород склонов с помощью коэффициентов.
-
Впервые проанализирован характер перемещения юн концентрации напряжений при распространении в породах склона сейсмических волн, образующихся при землетрясении, и дана оценка влияния.на напряженнее состояние пород склонов открытых трещин произвольной ориентации.
Личный вклад автора заключается: - в разработке методики изучения напрякенно-деформированного состояния массивов пород склонов, основанной на применении современных методов '"математического моделирования и
_ 7 - .
последовательном учете основных факторов, влияющих . на
формирование полей напряжений; ~*
- в разработке математических моделей, описывающих напряженное
состояние склонрв, сложенных слоистыми массивами пород; ~*
в разработке программного обеспечения для расчетов напряженно-деформированного состояния неоднородных .массивов пород и осложненных открытыми трещинами; . --
- в анализе основных закономерностей распределения напряжений
в , массивах пород изученных склонов, находящихся под
воздействием внешних природных и искусственных факторов;
в установлении влияния на изменение напряжений в"'породах склЪна различных факторов в количественном выражении;
в выявлении характера перераспределения напряжений в породах склона при прохождении через них и "отражении от поверхности склона сейсмических волн.
Практическая ценность работы:
Установлены закономерности в распределении напряжений bv массивах пород склонов, имеющих различную форму, крутизну и высоту, отличающихся сложным геологическим строением, выраженным - значительной неоднородностью, слоистостью и^ складчатостью, анизотропией свойств слагающих их пород, пораженностью тектоническими трещинами, и находящихся под воздействием тектонических сил и сейсмичности.
Установлен характер и определена степень влияния на величины напряжений в породах склонов различных факторов как естественных, так и искусственных, таких, например, как давление от водохранилища, подрезка и планировка, склонов, проходка котлованов и подземных выработок.
Разработана методика изучения напряженно-деформированного состояния пород склонов, основанная на последовательном количественном учете влияния различных факторов на перераспределение напряжений.
Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при проектировании четырех крупных гидроэлектростанций (Токтогульская ГЭС на р.Нарын, Рогунская ГЭС на р.Вахш, Богучанская ГЭС на р.Ангаре, Днестровская ГЭС) и двух гидроаккумулирующих станциях (Днестровская ГАЭС и Козловская ГАЭС на р.Волге) в связи с. необходимостью оценки
устойчивости склонов речных долин в естественном состоянии и при изменении условий в результате создания плотин, водохранилищ, напорных бабсейнов, строительных котлованов и' других сооружений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на: IV и V научных отчетных конференциях' геологического факультета МТУ (Москва, 1969, 1970г.); Межведомственном совещании по инженерной геологии (Москва, 1970г.); Международном конгрессе ассоциации инженер-геологов ( Париж ,1970г.); чпколе-семинаре Теологическая деятельность и охрана окружающей . среды " (Москва, 1978г.); VI и IX Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Фрунзе, 1978, 1989 г.г.); Всесоюзной школе-семинару "Измерение напряжений и кх приложение в прогнозе землетрясений." (Апатиты, 1980г.); Международном" симпозиуме "Оползни и другие движения масс." (Чехословакия, Прага, 1977г.); Региональном научно-практическом совещании "Оползни, обвалы и селевые потоки 'сейсмоактивных областей, их прогнозирование и защита."(Душанбе, 1990г.); Всесоюзной научной конференции "Техногенные ^факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта." (Ташкент, 1990г.); Международной конференции по механике трещиноватых и складчатых"" пород (Австрия, Вена, 1990г.); Ломоносовских чтениях (Москва, 1978, 1989, 1990 г.г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 34 опубликованных работах, в том числе в в монографиях и в двух работах, опубликованных за рубежом.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения трех "частей, содержащих 15 глав, и заключения, содержит 230 страниц машинописного текста, Ь*9 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 2.S0 наименований отечественных и зарубежных работ.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды Геологического факультета и кафедры механики композитов Механико-математического факультета МТУ за помощь при выполнении диссертационной работы и всем, кто содействовал ее написанию и принимал участие в обсуждении.
