CC BY
56
© Н.Н. Абрамов, Ю.А. Епимахов, 2010
УДК 622.02
Н.Н. Абрамов, Ю.А. Епимахов
ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТОННЕЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУА ТАЦИИ
Предложена методика оценки состояния массива пород и приведены результаты натурного обследования подземных гидротехнических тоннелей Верхне-Териберской и Борисоглебской ГЭС на Кольском полуострове. Оценены физико-механические свойства вмещающих пород на образцах и непосредственно в массиве пород. Выявлены участки тоннеля, где рекомендован периодический мониторинг состояния прикон-турной зоны массива.
Ключевые слова: гидротехнический тоннель, вмещающие породы, мониторинг, при-
контурная зона.
спользование большепролетных подземных сооружений в настоящее время в отечественной и мировой практике хорошо известно [1]. Особое место, при этом, занимают гидротехнические тоннели. Г орнорудная
практика проходки подземных выработок буровзрывным (БВР) способом показывает, что степень устойчивости выработок в процессе эксплуатации в значительной мере определяется технологией их возведения, естественной структурой массива и свойствами вмещающих пород, особенно в пределах приконтурной зоны массива. Эта зона, как правило, является нарушенной от технологического воздействия взрывных работ, а также степени естественной трещиноватости массива.
Степень влияния БВР на сохранность приконтурного массива определяется, прежде всего, технологией ведения БВР. В практике горнопроходческих работ буровзрывным способом различают общую (традиционную) технологию ведения БВР, характеризующуюся параметрами паспорта
Семинар № 13
взрывных работ рассчитанного на максимальное дробление пород взрывом шпуровых зарядов и технологию проходки с применением метода контурных зарядов (щадящая технология). Данные, полученные на основе многочисленных измерений проводимых в Горном институте КНЦ РАН показывают, что мощность нарушенной зоны при обычной технологии проходки может составлять от 0,3 м до 1,5 м, а при использовании технологии контурного взрывания изменятся в пределах 0-0,33 м [2].
В странах с высоким уровнем развития технологии проходческих работ, например, таких как, Норвегия и Финляндия, до 90-95 % тоннелей эксплуатируются без крепления на протяжении десятков лет. Известны также примеры, когда при строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях объемы крепления выработок составляют не более 20-30 % их протяженности. При этом следует отметить, что на неблагоприятных с точки зрения устойчивости участках массива, в обяза-
тельном порядке, регламентируется контроль его состояния различными методами.
В отечественной практике гидротехнического строительства большепролетные подземные сооружения используются для размещения машинных залов ГЭС; они играют роль подводящих и отводящих напорных и безнапорных тоннелей, причем значительное количество тоннелей также эксплуатируются без крепления. Как правило, тоннели пройдены с использованием обычных паспортов БВР. К особенностям эксплуатации таких тоннелей можно отнести то, что при образовании даже небольших локальных вывалов из стен и кровли происходит водоперенос горной массы по тоннелю, которая, попадая на лопатки турбин, приводит к их поломкам и выходу из строя дорогостоящих агрегатов и аварийным ситуациям. Поэтому особую актуальность, в этой связи, приобретают вопросы своевременного проведения периодических обследований состояния массива, на основе которых разрабатываются регламенты профилактических и ремонтных работ по обеспечению безаварийной работы ГЭС. В то же время, опыт эксплуатации подобных тоннелей с оценкой их фактического состояния в научно-технической литературе практически не освещен.
Гидротехнической службой филиала «Кольский» ОАО «ТГК-1», совместно с Горным институтом КНЦ РАН разработан регламент обследования подземных сооружений ГЭС Кольского полуострова. Важным моментом при проведении натурного обследования гидротехнических тоннелей является не только принятая на сегодняшний день, обычная фиксация очагов зон вывалообразования из кровли и стен сооружений, но и оцен-
ка природы образовавшихся в процессе эксплуатации сооружения вывалов. Исходя из современных представлений о формировании состояния массива во времени, программой работ учитывалась необходимость организации и проведения периодических наблюдений. Для этой цели в тоннеле закладывались стационарные наблюдательные полигоны для долговременных наблюдений. В качестве основного инструментального метода наблюдений для этой цели был выбран метод сейсмической томографии с использованием многоканальной сейсмической аппаратуры. Для проведения оперативных оценок состояния при-контурного массива подземных сооружений, использована портативная одноканальная сейсмостанция «Bison».
В соответствии с требованиями технической эксплуатации гидростанций было проведено обследование тоннелей Верхне-Териберс-кой и Борисоглебской ГЭС (Кольский полуостров, Россия). Основные характеристики тоннелей приведены в табл. 1.
Методика обследований включает.
1. Отбор проб, проведение лабораторных испытаний образцов пород по определению физико-механичес-ких свойств вмещающих пород.
2. Визуальный осмотр тоннелей, документирование вывалов их классификация.
3. Организация на отдельных участках тоннелей инструментальной оценки параметров нарушенной зоны прикон-турного массива.
Массив скальных пород, вмещающий подземные сооружения ГЭС, представлен микроклиновыми гранитами Балтийского щита, гранитогнейсами и сиенитами, ослабленными на отдельных участках зонами разлома и глинистыми
прослойками с подчиненными грано- та. диоритами верхнее—архейского возрас-
Таблица 1
Основные характеристики тоннелей
Наименование объекта Сечение, м2/длина, м Тип тоннеля Тип крепи Способ проходки Срок эксплуатации, лет
Верхне- Териберская ГЭС 40/1410 Водонапорный без крепления, на отд. участках торкретбетон, анкера Обычная технология буровзрывных работ 22
Борисоглебская ГЭС 145/817 160/130 160/158 Безнапорные: подводящий; отводящий 1; отводящий 2 без крепления, на отд. участках анкера Обычная технология буровзрывных работ 43
Вариации минерального состава для данных вмещающих пород невелики, в связи с чем, характеристики плотности изменяются в небольших пределах. Плотность гранитов, содержащих в основном легкие минералы - кварц и полевые шпаты составляет (2,70 - 2,75) т/м3. На характеристики упругости и прочности в большей мере влияют структурно-текстурные факторы и трещиноватость, ввиду чего и вариации изменчивости этих характеристик более широкие. Скорости продольных и поперечных волн составляют, соответственно, (5,15 - 5,42) км/с и (3,01 - 3,26) км/с. Прочности пород на сжатие (160 - 247) МПа.
Важной эксплуатационной характеристикой любой подземной выработки, определяющей уровень вертикальной составляющей поля напряжений в массиве, является глубина ее заложения от свободной поверхности. Для тоннелей Верхне-Териберс-кой и Борисоглебской ГЭС максимальная глубина заложения выработок от свободной поверхности
составляет 60-100 м. Тогда, оценочные величины максимальных напряжений в зонах концентраций в приконтурной части выработки, можно определить как:
ст, = куН ,
где к - коэффициент концентрации напряжений (к ж 2 г 3); у - плотность пород (у = 2,7 кг/см3); Н - глубина от свободной поверхности.
Согласно (1), для данных конкретных условий величины напряжений не будут превышать и 10 МПа, что не составляет и 10 % от прочности пород на сжатие [стсж] в образце. Следовательно, фактор напряженности пород при оценке устойчивости тоннеля не имеет решающего значения и им можно пренебречь.
Таким образом, определяющим фактором, в данных условиях, становится структурный фактор массива и, в особенности, структурные неоднородности низшего порядка, к которым относятся крупные тектонические разломы и зоны сильно трещиноватых обводненных пород.
По результатам визуального обследования тоннеля Борисоглебской ГЭС на рис. 1 представлена обобщенная гистограмма распределения поперечных размеров для всех вывалов зафиксированных в выработках.
61.9%
0.39
поперечный размер вывала, и
Рис. 1. Гистограмма распределения поперечных размеров вывалов в подводящем тоннеле
Характеристика кусков породы, вывалившихся из кровли и стен водоводов, по их минимальному поперечному размеру, соответствующему наиболее вероятному случаю отслоений породы по трещинам в массиве, показывает, что более 81 % кусков, обнаруженных в процессе визуального осмотра водоводов, можно отнести к мелкообломочным отдельностям породы, которые находились в пределах нарушенной зоны образовавшейся от технологического воздействия БВР (0,1-0,6) м при проходке тоннелей.
К аналогичным по природе вывалам можно отнести еще 9,5 % обнаруженных кусков размером (0,6-0,8) м. В то же время, было зафиксировано несколько
крупных обрушившихся блока (объем каждого составляет 5-6 м). Данные крупные блоки породы, по визуальной оценке, находились в пяте свода водовода. Обрушение этих блоков произошло, по всей видимости, из-за снижения сцепления по межблоковым границам массива пород в результате длительного воздействия на него водо-воздушных потоков. Кроме того, на этих участках отмечено неблагоприятное пересечение вертикальных и наклонных трещин на сопряжении стен и кровли выработок не создающих у обнажения тоннеля заклинивающего межблокового эффекта. На остальных участках тоннеля по визуальным данным фиксируется преобладающая крутопадающая трещиноватость, которая должна обеспечивать, в основном, устойчивое состояние тоннеля.
Таким образом, характеристика кусков породы, вывалившихся из кровли и стен подземных выработок при их визуальном обследовании указывает на природу отслаивающихся кусков породы. Обрушения породы произошли, в основном в пределах нарушенного техногенного слоя приконтурного массива пород. Для оценки состояния приконтур-ного массива подводящего тоннеля на пяти участках с зафиксированными вывалами породы был выполнен инструментальный контроль параметров нарушенной зоны массива. Использован сейсмический метод исследований, основанный на зависимости скоростей упругих сейсмических волн, возбуждаемых в массиве пород от его состояния [3] - мощности нарушенной зоны от контура выработки h и степени трещиноватости массива.
Сейсмоприемники сейсмических волн помещались вдоль обнажения выработки. С шагом перемещения равным
1,0 м проводилось возбуждение сейсмической волны в массиве с регистрацией времен прохождения волны до сейсмоприемника. Измерения времен прохождения сейсмической волны осуществлялась одноканальной сейсмостанцией «Bison» (USA), обеспечивающей точность отсчета времени прихода волны 0,05 млс. По каждому измерительному профилю (обычно не менее 10) строился годограф времен прохождения сейсмической волны в массиве - график в координатах «время-расстоя-ние», по наклону которого оценивалась величина скоростей продольных сейсмических волн для нарушенной зоны приконтур-ного массива Vризш^ и для сохранного нетронутого массива Vj,.0. Мощность нарушенной зоны hi вычислялась по координатам точки перегиба годографа (X) и соответствующим значениям скоростей продольных сейсмических волн согласно (Никитин В.Н., 1981 г):
h, = Xl
' 2Ч
V 0 - V
p.O p.um ,
(2)
где Ь - мощность нарушенной зоны приконтурного массива, м; Xi - координата точки перегиба годографа, м.
Степень трещиноватости пород в пределах нарушенной зоны оценивалась по классификации Межведомственной комиссии по взрывному делу на основе геофизического показателя трещиноватости [4] Ве, определяемого из выражения:
В,, = (Vp.o/ Vp/ зм )2 -1;
(3)
Результаты расчетов по выражениям (2) и (3) представлены в табл. 2.
Выполненная инструментальная оценка параметров приконтурного массива позволила классифицировать поро-
ды в пределах нарушенной зоны как среднетрещиноватые (III категория трещиноватости) с размером блока 0,5-1,0 м. В пределах точности измерений данная оценка хорошо согласуется и дополняет результаты визуального обследования тоннелей. Величины оцененных мощностей нарушенной зоны от контура выработок h не превышают 1,1 м (как на момент проходки), что свидетельствует о том, что массив не потерял своих несущих свойств и обладает достаточным запасом устойчивости.
Трасса тоннеля Верхнее-Териберс-кой ГЭС отличается по геологическим условиям. Она пересекает 9-11 зон тектонической трещиноватости. Однако, мощность этих зон по протяженности вдоль тоннеля не превышает 10-15 % его длины. Падение трещин в пределах этих зон составляет 75-80°. Они пересекают выработку, в основном, под углами 60-90°. С точки зрения устойчивости массива, такое взаиморасположение тектонических нарушений и выработки является наиболее благоприятным. В то же время, на отдельных участках тектонические нарушения пересекают трассу тоннеля под острыми углами, что может создавать условия для развития процессов вывалообразования. План тоннеля со следами тектонических нарушений представлен на рис. 2.
Для оценки состояния массива на участках неблагоприятной тектонической трещиноватости была проведена инструментальная оценка свойств пород и трещиноватости массива методом сейсмической томографии. В зоне тектонической трещины на ПК 1857-1930 оборудован стационарный измерительный полигон, на котором выполняется продольное сейсмическое профилирование. На установленные в массиве репе-
ры крепятся сейсмоприемники. Возбуждения сейсмических волн производится ударным способом. Регистрация сейсмосигналов осуществляется по каждому каналу в широком частотном диапазоне Таблица 2
Результаты натурных измерений тоннеля Борисоглебской ГЭС
(до 768 Гц) 24-канальной сейсмостанцией McSeis-160. Для получения томограммы скоростей сейсмических волн в массиве на данном
№ набл. станции Пикетаж, м Мощность нарушенной зоны, И, м Диапазон скоростей в пределах нарушенной зоны, V!,, км/с Показатель трещиноватости, Ве Степень трещиноватости, категория
1 15 - 25 О 2 1 0О 4 3,29 - 4,0 1,95 Среднетрещиноватый, (размер блока 0,5 - 1,0 м), категория Ш
2 - (15 - 25) О0 1 О8 0О 3,30 - 3,50 1,6
3 4 О 1 5 О 1 О8 0О 3,30 - 3,50 2,1
4 280 - 290 О8 0О 1 О6 0О 3,43 - 3,65 2,1
5 650 - 660 0О 1 О5 0О 3,27 - 3,76 1,6
Рис. 2. Схема тоннеля со следами тектонических нарушений
След тектонической трещины
Южная стенка тоннеля
ПК 18+57
10 м
I—------1-----1-------1
ом 4м 7м
ПК 19+30
5.62 6.12 5.62 5.12 4.62 4.12 3.62
\’р, КМ с
Рис. 3. Томограмма скоростей продольных сейсмических волн в стенке тоннеля Верхне-Териберской ГЭС
участке выполнено 12 ударных возбуждений. Решение прямой и обратной задач сейсмической томографии осуществлялось с использованием пакета программ для ПЭВМ «Х-Томо» (лицензия
А- 545, разработчик ФГУП «Севморгео», г. С-Петербург). На рис. 3 приведена томограмма скоростей продольных волн для обследованного участка массива пород. Диапазон скоростей продольных
а
6
] 3 ОУш
I
О» 012 021 031
П.»
Мощдъ упругости, Е*10* МПа
Коэфф. Пуассона
Рис. 4. Гистограммы свойств пород в массиве по данным натурных измерений
волн составляет 3,62-6,62 км/с. По томограмме прослеживается структурная блочность массива. По контактам монолитных блоков (светло-серая палитра рисунка) скорость ¥р падает, показывая на снижение упругих свойств в зонах их влияния. В то же время, преобладание высокоскоростной составляющей в общем распределении скоростей упругих волн (в 70 % случаев скорость ¥р > 5,3 км/с) разреза, свидетельствует о высокой консолидации массива пород внутри блоков породы с размерами 4-10 м. По соотношению скоростей Ур и У и известным выражениям [5] оцениваются свойства пород в массиве (коэффициент Пуассона и модуль упругости) и категория трещиноватости пород. Категория трещиноватости определяется на основе классификации по геофизическому критерию трещиноватости Ве.
На рис. 4 приведены гистограммы распределения упругих характеристик массива - коэффициента Пуассона и (а) и модуля упругости Е (б) по результатам натурных наблюдений в массиве. Средние значения этих характеристик (и = 0,26, Е = 6,06-104 МПа) близки или даже превышают эти показатели по сравнению со свойствами, полученными на образцах пород в лабораторных услови-
ях. Низкими значениями упругих свойств (и > 0,35) обладают породы, находящиеся в непосредственной близости к контуру выработки и в зонах влияния тектонических нарушений и межблоко-вых контактов массива. Однако, мощность этих участков от контура выработок в глубь массива, как видно из рис. 3, не превышает 0,4-0,6 м и опасности для устойчивости тоннеля не представляет. Свойства пород приконтурного массива, сформировавшиеся в период проходки под влиянием генезиса и буро-взрывных работ, в процессе длительной эксплуатации под воздействием напорных вод туннеля, постепенно вымывающих трещинный заполнитель межблоковых контактов, могут существенно изменяться. Об этом свидетельствует и вид гистограммы распределения коэффициента Пуассона, рис. 4, а, имеющий явное смещение часто
стей в сторону больших величин и > 0,35. Категорирование массива по трещиноватости выполненное по показателю Ве для контрольного участка, рис. 3, характеризует массив, в основном, как сохранный, слаботрещиноватый (95 %). Гистограмма категорирования приведена на рис. 5.
Таким образом, полученные резуль-
таты натурного обследования тоннелей Верхнее-Териберской и Борисоглебской ГЭС, дают основания сделать выводы о том, что несмотря на высокие показатели физико-механических свойств пород вмещающего массива, обеспечиваемые на 80-90 % протяженности тоннелей, и, обладающими поэтому высоким запасом устойчивости, длительная эксплуатация практически незакрепленных гидротехнических тоннелей под влиянием процессов выветривания и воды приводит к снижению геомеханических характеристик массива. В зонах тектонических нарушений фиксируется процесс ослабления естестственных межблоко-вых связей под действием активных процессов выветривания и напорных вод, в особенности для водонапорных тоннелей. Со временем на подобных участках могут формироваться очаги
вывалообразования из стен и кровли тоннеля. Для выявления динамики состояния, геомеханический контроль состояния массива по предложенной методике необходимо сделать режимным, путем организации долгосрочных наблюдений.
П-Ш кат. Ш
IV кат. 25%
Рис. 5. Категорирование массива пород тоннеля Верхне-Териберской ГЭС по трещиноватости: II - повышенно трещиноватые породы, ГГГ-ГУ - средне и слабо трещиноватые породы, V - сохранные породы
1. Reider Lien, Knut Garsh.L. Submarine Tunnel rafnes - herdva, Southrway, Norwegian hard rock tunneling, publication no. 1. 1982, Aahen, P. 77.
2. Мельников Н.Н., Епимахов Ю.А., Абрамов Н.Н. Научные основы интенсификации возведения большепролетных подземных сооружений в скальном массиве. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008. - 226 с.
3. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики, - М.: Изд-во МГУ, 1981, 176 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Фокин В.А., Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В. Инструментальное изучение глубины техногенных нарушений при скважинной отбойке горных пород на карьерах // Горный журнал, № 2, 2004, с. 49 - 51.
5. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами, - М,: Недра, 1979, 213 с. ЕШЗ
— Коротко об авторах
Абрамов Н.Н. - старший научный сотрудник лаборатории проблем возведения подземных сооружений Г орного института Кольского научного центра РАН, abramov@goi.kolasc.net.ru
Епимахов Ю.А. - доктор технических наук, профессор кафедры Г орного дела Апатитского филиала Мурманского Государственного технического университета, officeaf@a^шgtu. apatity.ru
А
