CC BY
31
УДК 622.271.333:626:550.372
Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева, Е.А.Серегин
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕ ОГРАЖДАЮЩЕЙ ПЕРЕМЫЧКИ ГИДРООТВАЛА
Диагностика и прогноз гео-механического состояния ограждающих сооружений (дамб, плотин, перемычек и т.д.) основаны на знании физикомеханических свойств пород, изучении напряженного состояния техногенного массива и деформационных процессов, происходящих под действием внешних и внутренних факторов, влияющих на рассматриваемое сооружение. Так, под действием напорного фронта в теле техногенного массива формируются фильтрационные коллекторы и водопроводящие зоны, которые усиливают проявление гидростатических и гидродинамических сил, изменения температуры и влажности способствуют дезинтегрированию элементов массива, а гравитационных сил - его консолидации, возникновение избыточного порового давления, характерного для глинистых грунтов, обладающих низкой водоотдачей, приводит к снижению удерживающих сил. Поставленная задача осложняется тем, что описанные процессы весьма неравномерно развиваются во времени.
Комплексные экспериментальные исследования геомеха-нических процессов проведены на ограждающей перемычке гидроотвала ОАО "Разрез Кед-ровский". Отличительной особенностью данного объекта является сооружение техногенного массива из скальных вскрышных пород разреза поверх намывных четвертичных отложений бывшего гидроотвала №3 (рис. 1). Перемычка высотой до 15 м; длиной по гребню 600 м и шириной более 80 м предназначена для формирования с ее восточной стороны напорного фронта нового гидроотвала.
Исследования включали
комплексное применение трех методов контроля состояния массива: инженерногеологического; маркшейдер-
ско-геодезического; геоэлек-трического.
Инженерно-геологический метод предусматривал бурение двух скважин (глубиной 41 м и 64 м) с гребня перемычки через насыпные и намывные породы (инженерно-геологические изыскания проведены комплексной инженерно-геологической экспедицией ОАО "КузбассТИ-СИЗ" в 2002 г.) (рис. 1). В результате исследований составлена геологическая колонка техногенного массива, описание которой приводится сверху вниз.
1. Насыпные грунты тела перемычки мощностью 11+15 м образованы путем отсыпки скальных вскрышных пород и представлены глыбами песчаника, аргиллита и алевролита размером более 20 см;
2. Намывной грунт основания перемычки представлен суглинком, образованным за счет размыва дисперсных вскрышных пород. Суглинок имеет бурый и реже серый цвет, туго-мягкопластичную консистенцию, в единичных случаях
твердую и полутвердую, водонасыщен. Грунт неоднороден по плотности и по показателю пластичности, изменяется от суглинка легкого песчанистого до тяжелого пылеватого. При дополнительном замачивании грунт не меняет свои прочностные и деформационные характеристики. Мощность намывного слоя 12,2+40,9 м;
3. Ниже намывных суглинков залегают коренные аллювиальные и элювиальные суглинки четвертичных отложений, подстилаемые скальными грунтами.
Одновременно с инженерно-геологическими исследованиями, через 12 месяцев с начала формирования напорного фронта с восточной стороны ограждающей перемычки, выполнены первые серии геоэлек-трических и маркшейдерско-геодезических наблюдений.
Геоэлектрический метод контроля основан на связи удельного электросопротивления (УЭС) грунтов с их пористостью и степенью влагонасы-щения. Первый этап заключался в привязке результатов геоэлек-трических измерений к геологической информации: определении границ
(масштабы - горизонтальный 1:5000, вертикальный - 1:1000):
1 - насыпной техногенный массив; 2 - намывной грунт гидроотвала №3; 3 - отвал вскрышных пород; 4 - основание; Яр0-Ярв - реперы маркшейдерской станции; Скв. 1, 2 - геологические скважины
Рис. 2. Геологические колонки и графики ВЭЗ по скважинам №2 (а) и №1 (б):1-насыпной грунт (обломки песчаника, аргиллита, алевролита); 2-намывной грунт (суглинок бурый и серый туго- и мягкопластичный, водонасыщенный); 3-суглинок бурый элювиальный, твердый, влажный
слоев геоэлектрического разреза методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и сопоставлении этих границ с результатами инженерно-геологических изысканий (рис. 2).
Для этого ВЭЗ выполняли на участках бурения геологических скважин. Результаты ВЭЗ показали, что исследуемый техногенный массив представляет собой двухслойную геоэлектри-ческую среду: первый слой сухих пористых насыпных пород 1 с эффективным УЭС в диапазоне рк = 25-120 Ом-м; второй слой 2 намывных влагонасыщенных грунтов с относительно стабильной величиной УЭС рк = 20-25 Ом-м. Граница между нижними геоэлектрическими слоями 2 и 3 размыта, поскольку намывные и коренные суглинки имеют одинаково высокую естественную влажность (Ж=0,24-0,26).
Маркшейдерско-геодезический метод контроля включал измерения горизонтальных и вертикальных смещений реперов установленных по профильной линии (Яр0+Яр8) вдоль гребня перемычки (рис. 1). Привязку рабочих реперов и точек геоэлек-трических измерений производили электронным тахеометром БвкИа 8в(600. По каждой серии наблюдений выполняли контроль результатов двумя методами: "измерения расстояний и углов" и "координатных измерений" [2]. Кроме того, на каждой станции выполнялся контроль качества измерений, погрешность всех наблюдений не превышала требований полиго-нометрии 1 разряда: угловая не более 5", линейная 1:10000.
В каждой серии маркшейдерско-геодезических измерений определяли следующие величины: смещения по осям абсцисс х, ординат у и высот г; векторы горизонтальных смещений Е и оседаний Г ; полный вектор смещений Ь ; скорости горизонтальных смещений УЕ и оседаний У2; полный
вектор скорости УЬ. Наиболее информативными показателями, характеризующими активность протекающих геомеханических процессов в теле перемычки и ее основании, явились скорости горизонтальных УЕ и вертикальных У2 смещений (рис. 3).
В течение всего периода наблюдений (более 16 месяцев) по
всей профильной линии на гребне перемычки происходили как оседания, так и горизонтальные смещения реперов. Наибольшие смещения зафиксированы на северном участке объекта на интервале Яр3^ Ярв в зоне максимальной мощности намывных грунтов основания (рис. 1). Максимальные скоро-
V,,
Рис. 3. Графики скоростей горизонтальных УЕ и вертикальных У2 смещений реперов:1-29.05.02; 2-23.07.02; 3-28.08.02; 4-02.09.03; 504.10.03
ftc. Омм
/
Nc...... * /2 ". Г.-<Г *** ✓
s' 'S, —Т"
1 2 3 4 5 6 7 8 яр
Рис. 4. Результаты продольного ЭП по оси перемычки, совмещенной с профилем реперов: 1-09.07.02; 2-23.07.02; 327.09.02; 4-09.07.03; 5-16.10.03
сти смещения реперов (до 14 мм/сут.) приходились на середину сезона гидромеханизации (июль 2002 года). В этот же период на некоторых участках гребня отмечены незначительные по величине (до 0,3 м) локальные просадки насыпного слоя с образованием продольных трещин (длиной до 1,0 м и раскрытием до 20 мм). В районе Rр2 со стороны низового откоса были зафиксированы отдельные выходы фильтрационной воды. Характерные всплески и затухания смещений повторились при наблюдениях в 2003 году, но значения скоростей смещения были значительно ниже (Ve max =4 мм/сут. и VZ max = 3 мм/ сут.).
Параллельно с маркшейдерскими измерениями по профилю Rp1+Rp8 выполняли гео-электрические измерения по схеме электропрофилирования (ЭП). При выборе разноса питающих электродов (АВ=60 м) учитывали расположение верхней границы обводненной зоны, которая устанавливалась по результатам ВЭЗ (рис. 2). В первых сериях геоэлектрических измерений обозначились две явно дифференцированные по УЭС зоны (рис. 4): на интервале реперов Rp1^Rp4 УЭС составляло рк=45-55 Омм; на интервале Rp5^Rp8 УЭС резко воз-расло до уровня рк=75-80 Ом-м.
Неравномерность изменения УЭС обусловлена различием гранулометрического состава и степени уплотнения грунтов на отдельных участках, а именно: большим содержанием крупных кусков породы (с раз-
мером более 200 мм) и образованием пустот внутри тела перемычки, что явилось причиной высоких электросопротивлений в ее северной части. В процессе эксплуатации перемычки происходила консолидация пород, что подтверждено значительными величинами оседаний реперов наблюдательной маркшейдерской станции. Одновременно зафиксировано снижение общего уровня УЭС на указанном участке. В июле 2003 г. уровень УЭС достиг значений рк=55 Омм, а в конце сезона гидромеханизации составил 40 Омм.
Помимо процесса уплотнения пород геоэлектрический метод контроля позволил обнаружить участок формирования фильтрационного коллектора. В конце 2002 г. в районе Яр6 был обнаружен выход воды с низовой стороны перемычки. Выполнение дополнительных исследований по профилю вдоль верхней бровки низового откоса, результаты которых изложены в работе [3], позволило установить границы коллектора и
определить направление его русла: зарождение коллектора происходило в районе Яр5. В южной части перемычки (Яр1^Яр4) изменение УЭС носило более умеренный характер и связано с увеличением водо-насыщения грунтов, так как активные стадии водопроявле-ний со стороны низового откоса сопровождались снижением общего уровня УЭС.
Статистический анализ результатов проведенных экспериментальных исследований показал, что между изменениями компонентов смещений реперов и эффективного УЭС контролируемого массива существует не только качественная, но и количественная взаимосвязь. Результаты компьютерной обработки графиков приведены на рис. 5.
Установлены линейные корреляционные зависимости между исследуемыми параметрами геомеханического состояния массива:
Уе = 3,07+0,28Др&
(при коэффициенте корреляции г = 0,773 и критерии надежно-
VE,
V»
Vb
Омм
Рис. 5. Зависимости между скоростями горизонтальных Уе, вертикальных У2, полных Уь смещений реперов
и изменениями УЭС массива перемычки
сти оценки ґ = 4,39);
У2 = 2,39+0,2Арк, (г = 0,677, ґ = 3,32);
Уь = 4,59+0,35АрК,
(г = 0,686, ґ = 3,34).
Несмотря на то, что маркшейдерско-геодезический и гео-электрический методы геокон-
троля имеют различную физическую основу и базы измерений, полученные зависимости показывают на возможность их комплексного использования при исследовании геомеханиче-ских процессов в техногенных массивах гидротехнических
сооружений сложного геологического строения в условиях изменяющейся горнотехнической обстановки.
Работа выполнена при поддержке гранта Минобразования России А 03-2.13-12
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Простов С.М. Электрофизические свойства техногенных грунтовых массивов гидротехнических сооружений / С.М. Простов, Е.В. Костюков, М.В. Гуцал // Вестник КузГТУ.-2004.-№3.
2. Бахаева С.П. Комплексная оценка геомеханических процессов дамб из грунтовых материалов / С.М. Простов, Е.В. Костюков, Е.А. Серегин // Маркшейдерский вестник.-2003.-№2.-С.62-66.
3. Костюков Е.В. Исследование динамики развития фильтрационных коллекторов в теле ограждающей перемычки гидроотвала геоэлектрическим методом / Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева // Вестник КузГТУ.-2004.-№3.
□ Авторы статьи:
Костюков Евгений Владимирович
- аспирант каф. теоретической и геотехнической механики
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф каф. теоретической и геотехнической механики
Бахаева Светлана Петровна
- канд. техн. наук, зам. директора НФ "КУЗ-БАСС-НИИОГР"
Серегин Евгений Алексеевич
- руководитель группы анализа риска и предотвращения ЧС НФ "КУЗ-БАСС-НИИОГР"
