CC BY
29
УДК 550.372:622.271.333:626
Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ В ТЕЛЕ ОГРАЖДАЮЩЕЙ ПЕРЕМЫЧКИ ГИДРООТВАЛА
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Специфика ограждающих элементов (дамб, плотин, перемычек и т.д.) гидротехнических сооружений (ГТС) состоит в том, что под действием напорного фронта в насыпном грунтовом массиве формируются фильтрационные зоны и кол*
лекторы . Наличие выходов воды на низовом откосе не является фактом нарушения нормального режима эксплуатации дамбы, но служит сигналом для проведения систематических наблюдений (мониторинга) за развитием параметров обводненных зон во времени. В свою очередь, информация о развитии или затухании процессов в этих зонах предоставляет возможность оценивать гидродинамические силы, действующие на призму возможного обруше-
На практике, как правило, ограничиваются визуальными осмотрами, фиксируя ширину участка водопроявлений, количество локальных выходов на откосе и косвенно оценивая изменение расхода воды через дамбу. С этой же целью на некоторых сооружениях устанавливают пьезометры, которые представляют собой пробуренные в теле дамбы скважины с размещением в них стальных перфорированных труб и заполнением межтрубного пространства песчано-гравийной смесью. Рассмотренные методы предоставляют лишь точечные данные об уровне депрессионной кривой и не дают объемной информации о размерах зон водона-сыщения грунтов.
Предлагаемый геоэлектри-ческий метод контроля основан
ным методам геоэлектрического мониторинга обеспечивает комплексный подход к оценке гидрогеологического и геомехани-ческого состояния дамбы. Основные схемы мониторинга следующие: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) с центрами установок в точках с известным пьезометрическим уровнем депрессионной кривой и максимальным шагом зондирования ААБтах=5 м; электропрофилирование (ЭП) по характерным профилям с фиксированными разносами, соответствующими расположению верхней границы зоны влагонасы-щения и шагом профилирования Ах=Ау=5 м.
В течение полутора лет экспериментальные геоэлектриче-ские наблюдения проводили на ограждающей перемычке гид-
■ ?
а б
Рис. 1. План экспериментальных участков в южной (а) и северной (б) частях ограждающей перемычки гидроотвала: О1х1, О2х2, Озх3 - профили продольного ЭП;
О у - профиль поперечного ЭП; О1, О3 - центры ВЭЗ
ния и рассчитывать устойчивость сооружения по методике, изложенной в работе [1].
* Работа выполнена при поддержке гранта Минобразования России А 03-2.13-12
на связи удельного электросопротивления (УЭС) грунтов с их физическими характеристиками - влажностью и пористостью [2]. Применение в дополнение к упомянутым визуаль-
роотвала ОАО «Разрез Кедров-ский», отсыпанной из вскрышных пород поверх намывных отложений гидроотвала №3. В плане перемычка имеет распластанный профиль с шириной по
АВ, м
Рис. 2. Результаты БЭЗ с центром в точке О1: 1-09.07.02; 2-23.07.02; 316.10.03
гребню от 84 до 110 м и длиной 680 м.
Было выполнено по 3-5 серий наблюдений на двух участках формирования фильтрационных коллекторов с периодичностью в 1-2 месяца. В каждой серии выполняли замеры по схеме ВЭЗ на участках бурения инженерно-геологических скважин и в створе с зонами водопроявлений в нижнем бьефе (рис. 1). На графике ВЭЗ отрицательное отклонение УЭС до 30% от среднего уровня соответствует расположению верхней границы обводненной зоны. Снижение уровня УЭС с увеличением глубины зондирования h, или с течением времени характеризует увеличение водонасыщенности пород.
Геоэлектрическое состояние приповерхностного слоя насыпного массива (при АБ<10 м) в значительное мере подвержено влиянию атмосферных осадков, однако оно стабилизируется в течение суток после их выпадения. Нижняя граница обводненной зоны насыпного слоя при ВЭЗ (АБ<150 м) не была установлена, поскольку перемычка имеет значительную высоту (до 15 м), а грунты намывного ос-
Рис. 3. Результаты ЭП по профилю О1х1 у низового откоса (а), по профилю О2х2у верхового откоса (б), по профилю О1у1 (в): 1-09.07.02; 2-23.07.02; 3-27.09.02; 4-09.07.03; 5-16.10.03
Рис. 4. Результаты БЭЗ в точках О3 (а) и ЭП по профилю О3х3 (б): 1-23.07.02; 2-27.09.02; 3-09.07.03; 4-16.10.03
нования имеют высокую сте- вие чего граница насыпного и
пень влагонасыщения, вследст- намывного слоя электрически
2 л + А.
X* ► /“Г® ✓ 1
0 3 6 9 12 1, мес.
Рис. 5. Изменение площади S обводненной зоны за время t наблюдений: 1-южный участок; 2-северный участок
не контрастна.
Наибольший объем исследований проведен на участке в южной части перемычки (рис. 1, а), где на начало наблюдений в нижней части низового откоса сформировалась несколько сосредоточенных выходов коллекторов, которые были объединены в единый фильтрационный фронт.
Результаты ВЭЗ (рис. 2) показывают, что в начальной стадии развития обводненной зоны расположение ее верхней границы соответствует АВ=55 м. По данным наблюдений в Скв. №1 уровень грунтовых вод составил h=8 м. В дальнейшем, по мере развития процессов влаго-насыщения грунтов происходило закономерное снижение уровня эффективного УЭС рК и одновременный подъем этой границы до уровня h=4 м. Динамика гидродинамических процессов на графиках ВЭЗ характеризуется площадью участков с тонировкой различной интенсивности.
Для детального исследования параметров водонасыщенной зоны в плане проведены измерения по схеме ЭП на двух продольных профилях О1х1, О2х2, и одном поперечном О у. Интерпретация диаграмм ЭП осложняется тем, что на интервале между второй и третьей сериями измерений была произведена планировка поверхности гребня у низового откоса со срезкой слоя грунта на глубину
до 2 м. Это привело к резкому снижению общего уровня рК и увеличению амплитуды соответствующих аномалий (рис. 3, а), достигающих 27 Ом-м (45% от исходного уровня).
Анализ графиков продольных ЭП (рис. 2, а, б) показывает, что ширина обводненной зоны у низового откоса за время наблюдений увеличилась в диапазоне Ах1=40-50 м, у верхового откоса - в диапазоне Лх2=35-45 м, т.е. границы этой зоны примерно параллельны. Выявлена тенденция к смещению русла фильтрационного коллектора в южном направлении. Стабильный уровень рК=50-70 Ом-м на интервале Лх2=0^ -30 м, по-видимому, связан с наличием в теле перемычки водоупорного слоя, препятствующего развитию коллектора в данном направлении.
Более сложным является характер развития гидродинамических процессов в поперечном сечении техногенного массива по профилю О1у1 (рис. 3, в).
Так, на 09.07.02 г. уровень УЭС изменялся незначительно, при этом достаточно хорошо прослеживалось его снижение от верхового до низового откоса, т.е. водонасыщение пород по мере прохождения через перемычку снижается. На момент второй серии наблюдений (23.07.02 г.) в средней части перемычки образовалась аномальная зона с падением электросопротивления АрК=16 Ом-м (28% от среднего уровня), ширина зоны составляла Ау=20 м. В следующую серию измерений (27.09.02 г.) эта зона мигрировала на 15 м в направлении низового откоса и несколько уменьшилась в размерах до Ау=15 м. Интенсивное образование водонасыщенной зоны и ее перемещение при первых трех замерах объясняется процессом консолидации пород тела перемычки, который сопровождался незначительными по величине и локальными в плане осадками гребня. Следует отметить, что максимальный расход воды через тело дамбы
0 2,5 5,0 7,5 10 12,5 мес. 0 2,5 5,0 7,5 10 12,5 мес
Рис. 6. Изменение средней влагонасыщенности W насыпных грунтов техногенного массива на южном (а) и северном (б) участках в ходе наблюдений: 1, 4, 6 - в продольных сечениях, соответственно, по продольным профилям О2х2, О1х1, О3х3; 3 - в поперечном сечении; 2, 5 - по глубине
был отмечен в период с 27.07.02 по 27.09.02.
В 2003 г. сброс глиняной пульпы в гидроотвал был прекращен, что способствовало стабилизации, дальнейшему
снижению водоотдачи пульпы и прекращению водопроявлений на низовом откосе. Это привело к закономерному повышению УЭС до уровня первых серий измерений на графиках рК(х1) и рк(у). В то же время у верхового откоса (рис. 3, б), прилегающего к массиву пульпы, все параметры зоны влагонасыщения сохранились. Таким образом, каналы фильтрации в теле перемычки не перекрыты, и при возобновлении сброса пульпы в гидроотвал фильтрационные процессы восстановятся с прежней интенсивностью.
Весь комплекс геоэлектри-ческих измерений был повторен в районе второго локального выхода воды на низовой откос в северной части перемычки (рис.
1, б).
Анализ графиков ВЭЗ и продольных ЭП за период наблюдений в течение 15 мес. (рис. 4) свидетельствует о интенсивном развитии обводненной зоны по глубине массива с подъемом уровня грунтовых вод с h=8 м (АВ=55 м) до h=3 м (АВ=20 м) и расширением в плане с Ах3=35 м до Ах3=60 м. Данная часть перемычки непосредственно примыкает к действующему отвалу вскрышных пород, поэтому влагонасыщение насыпных грунтов сопровождалось их уплотнением под действием сил всестороннего сжатия:
объемных гравитационных сил, напора воды со стороны верхового откоса, порового давления в тонкодисперсных влагонасыщенных глинистых грунтах намывного основания и бокового давления отгружаемых пород железнодорожного отвала. Существенного увеличения расхода воды через тело насыпного сооружения в данном сечении при наблюдениях не было зафиксировано.
На основании данных об изменении ширины обводненных зон, полученных из графиков продольных ЭП по профилям О1х1,О2х2,и О3х3, развитие границ этих зон было зафиксировано на планах опытных участков (рис. 1).
По результатам проведенных исследований рассчитаны интегральные параметры гидрогеологического состояния грунтов, прилегающих к зоне фильтрации, комплексно характеризующие динамику развития процессов в контролируемых объемах с течением времени: площадь обводненной зоны в плане S; средний относительный уровень влагонасыщенно-сти массива W/Wo в различных сечениях обводненных зон.
Характер изменения площади S обводненной зоны в южной части перемычки свидетельствует о стабилизации фильтрационных процессов на заключительной стадии наблюдений ^=12-15 мес.). В северной части объекта, несмотря на прекращение сброса пульпы в гидроотвал, процесс водонасыщения насыпных грунтов со стороны
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
верхового откоса и намывного основания не только не прекратился, но и интенсифицировался (рис. 5).
Анализ графиков W/Wo (^ (рис. 6) показывает постоянное увеличение водонасыщения пород тела перемычки в процессе ее эксплуатации. При этом наибольшее приращение наблюдаемого показателя происходило в первые 3-3,5 месяца, после чего большинство графиков выположивались. Изменение существующего русла водопроводящего коллектора и формирование новых обводненных зон, зафиксированные на первых сериях наблюдений, связаны, главным образом, с активной стадией процесса консолидации насыпных вскрышных пород тела перемычки. Поскольку в зимний период работы на гидромеханизированном участке прекращаются, напор на перемычку устанавливается на фиксированной величине, которая не изменяется в течение полугода. Это является основной причиной стабилизации геомеханических и гидрогеологических процессов, происходящих в теле насыпного техногенного массива.
Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований дают пространственное представление о развитии фильтрационных процессов в техногенном массиве и позволяют прогнозировать стадии, предшествующие нарушениям устойчивости сооружения.
1. Костюков Е.В. Прогноз устойчивости ограждающих дамб гидротехнических сооружений на основе геоэлектрического контроля их состояния / Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева // Вестн, Куз-ГТУ.-2004.-№ 2. С.
2. Простов С.М. Электрофизические свойства техногенных грунтовых массивов гидротехнических сооружений / С.М. Простов, Е.В. Костюков, М.В. Гуцал // Вестн.КузГТУ.-2004.-№ 3. С.
□ Авторы статьи:
Костюков Евгений Владимирович
- аспирант каф. теоретической и геотехнической механики
Простов Сергей Михайлович
- доктор техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики
Бахаева Светлана Петровна
- канд. техн. наук, зам. директора НФ "КУЗБАСС-НИИОГР
