Научная статья на тему 'Методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения'

Методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
272
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ / СКАЛЬНЫЕ ОСНОВАНИЯ / ГЭС / ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ РЕЖИМ / FILTRATION HETEROGENEITY / ФИЛЬТРАЦИОННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ / НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ / FIELD OBSERVATIONS / СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / STATISTICAL ANALYSIS / БОГУЧАНСКАЯ ГЭС / BOGUCHANSKAYA HPP / HYDRAULIC STRUCTURES / ROCK FOUNDATIONS / HYDROPOWER STATION / SEEPAGE CONDITIONS

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Чернышев Сергей Николаевич, Зоммер Татьяна Валентиновна, Лаврусевич Андрей Александрович

Предложена авторская методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения. Уточнен способ выделения инженерно-геологических элементов на основе фильтрационной неоднородности скальных грунтов на примере Богучанской ГЭС на р. Ангаре. Исследована применимость авторской методики определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения в целях более точного выделения инженерно-геологических элементов на примере Богучанского гидроузла. Дан развернутый результирующий фильтрационный гидрогеологический разрез на основе анализа фактического материала, включающего результаты большого количества одиночных фильтрационных опытов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Чернышев Сергей Николаевич, Зоммер Татьяна Валентиновна, Лаврусевич Андрей Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Method of determining the filtration heterogeneity of a rock mass of hydraulic structure foundation

N THE ARTICLE THE AUTHOR’S TECHNIQUE OF ESTIMATING THE FLOW HETEROGENEITY OF A ROCK MASS OF WATERWORKS FOUNDATION IS CONSIDERED. THE METHOD FOR ALLOCATING THE ENGINEERING-GEOLOGICAL ELEMENTS ON THE BASIS OF THE FILTRATION HETEROGENEITY OF ROCKY SOILS IS UPDATED ON THE EXAMPLE OF BOGUCHANSKAYA HPP ON THE ANGARA RIVER. THE AUTHORS INVESTIGATED THE APPLICABILITY OF THE PROPOSED METHODS FOR DETERMINING THE FILTRATION INHOMOGENEITY OF A ROCK FOUNDATION OF HYDRAULIC STRUCTURES IN ORDER TO BETTER HIGHLIGHT THE ENGINEERING-GEOLOGICAL ELEMENTS ON THE EXAMPLE OF THE BOGUCHANY HYDROELECTRIC COMPLEX. WHEN ANALYZING THE FACTUAL MATERIAL BY THE RESULTS OF ABOUT 1000 FILTRATION EXPERIMENTS FROM GEOLOGICAL CONSIDERATIONS AND IN ORDER TO SEPARATE THE DATA, WE HAVE IDENTIFIED THREE ROCKY SOIL MASSES. THE FIRST MASSIF IS THE RIGHT BANK OF THE FOLDED THICKNESS OF SEDIMENTARY ROCKS THAT SLOPE TOWARDS THE RIVER AND IS SUBJECT TO SIGNIFICANT SUPERGENE CHANGES. THE SECOND MASSIF INCLUDES UNDERFLOW AND LEFT-COAST SEDIMENTARY ROCKS, WHICH ARE LESS ALTERED BY SUPERGENE PROCESSES THAN THE RIGHT COAST FOR A NUMBER OF REASONS. THE THIRD ARRAY CONSISTS OF DOLERITE UNDER THE RIVERBED AND ON THE RIGHT BANK. FOR THESE THREE ARRAYS ACCORDING TO THE RESULTS OF THE FILTRATION EXPERIMENTS, WE HAVE BUILT HISTOGRAMS OF THE DISTRIBUTION OF LGQ AND DIFFERENTIAL CURVES OF DISTRIBUTION OF THE SPECIFIC ABSORPTION FOR DOLERITES IN THE AREA KODINSKY OF THE BOGUCHANSKAYA HPP. THEN IN THE HISTOGRAM WE IDENTIFIED THE CORRESPONDING VALUES OF THE MODAL COMPONENTS OF THE DISTRIBUTION AND FOUND THE STATISTICAL CHARACTERISTICS FOR EACH OF THE SELECTED DISTRIBUTIONS, AS WELL AS THE MEAN VALUE AND THE VARIANCE. FOR FURTHER OPERATIONS, WE COMPUTED THE STANDARD DEVIATION S FOR EACH OF THE DISTRIBUTIONS. THE DEGREE OF FRACTURE IS EVALUATED BY TAKING INTO ACCOUNT THE INDICATOR OF PERMEABILITY, THEREFORE, THE MAIN GEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE CRACKS ARE THEIR WIDTH AND LENGTH, AND ONLY AFTER ALL THIS WILL TAKE INTO ACCOUNT THEIR FREQUENCY. THEN WE BEGIN SEARCHING THE LOCATIONS ON A SECTION OF FRACTURE ZONES, WHICH CORRESPOND TO THE COMPONENTS IN THE DISTRIBUTION FORMULA. SO WE DISTINGUISH THE SUMMANDS OF THE SUM ON THE FORMULA DISTRIBUTION: FOR SEDIMENTARY ROCKS OF THE RIVERBED 3; FOR DOLERITE 3; FOR A MASSIF OF SEDIMENTARY ROCKS ON THE RIGHT BANK WITH THE MOST COMPLEX STRUCTURE 6 ZONES WITH DIFFERENT FRACTURE. THE DETERMINATION OF ZONES WITH DIFFERENT FRACTURING IN ACCORDANCE WITH THE DESCRIBED PROCEDURE ALLOWED US TO CONSTRUCT A RESULTING FILTRATION SECTION FOR THE THREE MASSIFS. AS A RESULT, ACCORDING TO THE ABOVE METHOD, BASED ON THE ANALYSIS OF FACTUAL MATERIAL, INCLUDING THE RESULTS OF NUMEROUS FILTRATION EXPERIMENTS, THE AUTHORS CONSTRUCTED THE RESULTING FILTRATION HYDROGEOLOGICAL SECTION. THIS TECHNIQUE IS STATISTICAL AND GENETIC IN NATURE, THEREFORE IT SEEMS MORE EFFECTIVE COMPARED WITH THE METHOD OF REGRESSION ANALYSIS RECOMMENDED IN THE APPENDIX TO SNIP. THUS, THE PROPOSED FORMALIZED METHODOLOGY FOR THE SEPARATION OF ROCK SOILS LOCATED AT THE BASE OF HPP TO INDIVIDUAL ENGINEERING-GEOLOGICAL ELEMENTS ACCORDING TO THE RESULTS OF EXPERIMENTAL MASS FILTRATION TESTING OF DRILLING WELLS HAS ALLOWED US TO ISOLATE THE HETEROGENEOUS FRACTURE PERMEABILITY AND GEOTECHNICAL ELEMENTS IN THE BASIS OF HPP (IN THE CASE OF THE BOGUCHANSKAYA HPP, WE HAVE IDENTIFIED 11 ENGINEERING-GEOLOGICAL ELEMENTS), AND ALLOWED US TO FIND THE BOUNDARIES OF ENGINEERING-GEOLOGICAL ELEMENTS IN GEOLOGICAL CROSS-SECTIONS. IN ADDITION, WE DETERMINED THE EFFECTIVE VALUES OF FILTRATION COEFFICIENT FOR EACH ENGINEERING-GEOLOGICAL ELEMENT INDICATING THE CONFIDENCE INTERVALS FOR THE MEAN VALUE AT THE 95 % CONFIDENCE LEVEL.

Текст научной работы на тему «Методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения»

ВЕСТНИК 2/2Q16

УДК 626

с.н. чернышев, т.в. Зоммер, A.A. лаврусевич

НИУМГСУ

методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания

гидросооружения

Предложена авторская методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения. Уточнен способ выделения инженерно-геологических элементов на основе фильтрационной неоднородности скальных грунтов на примере Богучанской ГЭС на р. Ангаре. Исследована применимость авторской методики определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения в целях более точного выделения инженерно-геологических элементов на примере Богучанского гидроузла. Дан развернутый результирующий фильтрационный гидрогеологический разрез на основе анализа фактического материала, включающего результаты большого количества одиночных фильтрационных опытов.

Ключевые слова: гидротехнические сооружения, скальные основания, ГЭС, фильтрационный режим, фильтрационная неоднородность, натурные наблюдения, статистический анализ, Богучанская ГЭС

Авторами уже частично рассматривалось определение фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения методом статистического анализа на примере Богучанской ГЭС [1].

При этом в условиях статистически достаточного объема информации при расчленении массива скального основания гидросооружения на инженерно-геологические элементы авторы считают целесообразным применять методику, основанную на формализованном математико-статистическом анализе с использованием алгоритма расчленения неоднородного массива на инженерно-геологические элементы по результатам определения одного показателя в отдельных точках массива [2].

Рекомендуемый алгоритм применим для анализа неоднородности скальных оснований [3] по множеству определений свойства массива с соблюдением условия, что в пределах выбранного инженерно-геологического элемента случайные колебания показателя свойства или его функции (логарифма показателя свойства) подчиняются закону нормального распределения [4]. При этом значения показателя пересчитываются для приведения к виду, при котором бы они подчинялись закону нормального распределения.

По сравнению с другими показателями удельное водопоглощение q, л/мин, оказывается более «чувствительным» — изменяется в очень широком диапазоне [5, 6], что делает его удобным инструментом при расчленении неоднородного по составу массива на инженерно-геологические элементы. Количество определений удельного водопоглощения превышает в сотни раз количество определений модуля деформации прессиометрией или штампами, и гидравлический эксперимент способен охарактеризовать посредством осред-

нения неоднородностей сети трещин наибольший (порядка нескольких десятков кубических метров) объем массива.

Полученные согласно разработанной авторской методике границы выделенных инженерно-геологических элементов и эффективные значения показателей свойств массива в их пределах могут быть использованы для определения глубины врезки бетонных плотин в скальные основания, назначения глубины и плотности цементирующих завес, дренажей и решения некоторых других задач проектирования, связанных с прогнозом фильтрационных процессов в основании плотины и обход гидроузла [7—17].

В данном случае на примере Богучанского гидроузла исследуется применимость авторской методики определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения в целях более точного выделения инженерно-геологических элементов.

При этом под скальными грунтовыми массивами подразумевается не все основание, а три генетически обособленные части основания гидросооружения, сложенные из скальных горных пород различного генезиса [3].

Инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта Богучан-ской ГЭС производились начиная с 1969 г. в составе Богучанской экспедиции Восточно-Сибирского отделения Института «Гидропроект» на Кодинском участке р. Ангары, расположенном на юго-западной окраине Средне-Сибирского плоскогорья в пределах зоны Ангарских складок на юго-восточном крыле Агалеевской антиклинали (залегание пород: азимут падения 140.. .160°; угол падения 9.14°).

Основание Богучанской ГЭС [18] представляет собой мощную карбонат-но-терригенную толщу пород нижнего палеозоя. осадочная толща, сложенная породами кембрийского и ордовикского возраста, на разных стратиграфических и гипсометрических уровнях прорвана интрузиями долеритов нижнетриасового возраста. Почти весь участок перекрыт маломощным чехлом рыхлых четвертичных отложений.

Интрузивные породы, слагающие рассматриваемый скальный массив, представлены пластовыми телами долеритов трапповой формации, неоднородными по составу: в кровле интрузии расположены крупнокристаллические пегматоидные габбро-долериты мощностью 3.40 м, центральная часть интрузии сложена мелко- и среднезернистыми долеритами, а нижняя часть — пятнистыми («горошчатыми») мелко- и среднезернистыми, частично ослабленными долеритами.

На контакте с осадочными породами долериты раздроблены или сильно трещиноваты. осадочные породы в контакте также сильно трещиноваты, мощность таких пород в кровле интрузии 15.20 м, в подошве — до 40 м. Дробление осадочных пород связано с внедрением интрузии или с возникшим ранее пологим разрывом, по которому происходило внедрение долеритов. Сильно раздроблены и долериты, которые кристаллизовались у контакта при продолжающемся движении магмы.

Буровыми скважинами во многих пунктах участка подсечены зоны дробления как в осадочных породах, так и в долеритах. Скальные породы в пределах этих зон раздроблены до дресвы и щебня. Мощность зон дробления колеблется от 1.2 до 15.20 м.

ВЕСТНИК

2/2016

При анализе фактического материала, включающего результаты около 1000 одиночных фильтрационных опытов, из геологических соображений и в целях раздельной обработки данных выделяем три скальных грунтовых массива.

Первый массив — правый берег, сложенный осадочной толщей, наклоненной в сторону русла и подверженной значительным гипергенным изменениям, видимо, произошедшим в основном в период отступления вечной мерзлоты, когда массив из мерзлого состояния перешел в талое. Такие же деформации отмечены одним из авторов на Бадарминском и Толстомысовском створах Усть-Илимской ГЭС, расположенной выше по р. Ангаре [19]. Менее выражены подобные деформации в Братске, находящемся существенно южнее и в несколько иных структурно-тектонических условиях.

Второй массив включает подрусловые и левобережные осадочные породы, которые менее изменены гипергенными процессами, чем правобережные по ряду причин.

Третий массив представлен долеритовой интрузией под руслом реки и на правом берегу.

Для указанных трех массивов по результатам фильтрационных опытов построены три гистограммы распределения и дифференциальные кривые распределения удельного водопоглощения долеритов на участке Кодинских створов Богучанской ГЭС (рис. 1) [4, 5, 20].

Рис. 1. Сводная гистограмма и дифференциальные кривые распределений удельного водопоглощения долеритов на участке Кодинских створов Богучанской ГЭС

По обозначенным на гистограмме модальным значениям выделяем составляющие распределения и находим статистические характеристики для каждого из выделенных распределений — среднее значение и дисперсию. Для дальнейших операций вычисляем стандартные отклонения с для каждого из распределений.

Предполагаем, что каждому из слагаемых распределений соответствует генетически обособленная зона повышенной или пониженной трещинова-тости [19].

Степень трещиноватости оценивается посредством учета показателя водопроницаемости [20—25], поэтому главными геологическими характеристиками трещин следует считать ширину и протяженность, и только в последнюю очередь учитывается их частота.

Затем приступаем к поиску мест локализации на разрезе зон трещиноватости, соответствующих слагаемым распределениям. Выделяем составляющие сумму слагаемые распределений: для осадочных пород русла — 3; долери-тов — 3; массива осадочных пород правого берега с наиболее сложным строением — 6 зон с различной трещиноватостью.

Нахождение зон с различной трещиноватостью [26—33] по изложенной методике [1, 2] позволило построить результирующий фильтрационный разрез для трех массивов (рис. 2).

Рис. 2. Фильтрационный разрез основания Богучанской ГЭС: д — долериты; р — осадочные породы под руслом; б — осадочные породы правого берега

зоны 1—5 с разной степенью трещиноватости выделены по их водопроницаемости. Для каждой зоны трещиноватости и для каждого массива получены статистические оценки среднего значения стандартных отклонений индивидуальных и средних значений, эффективная оценка Кф с исключением влияния масштабного эффекта из-за опробования малых объемов; рассчитаны доверительные интервалы эффективной оценки на уровне надежности Р = 95 %.

Переход от значений удельного водопоглощения к значениям коэффициента фильтрации при необходимости может быть осуществлен по эмпирическим формулам.

вестник 2/2016

Для массива долеритов в основании Богучанской ГЭС lgK = 0,4 + 1,08lg^.

Применительно к слоистой толще осадочных скальных пород lg^ = 0,36 + 0,99 lgq.

Для массивов на других объектах эмпирические уравнения могут иметь некоторые отличия, преимущественно в части свободного члена уравнения.

Данная методика носит статистико-генетический характер, поэтому представляется более действенной по сравнению с методом регрессионного анализа, рекомендуемого в приложении к СНиП [6].

Таким образом, предложенная формализованная методика расчленения скальных массивов основания на инженерно-геологические элементы по результатам массового опытно-фильтрационного опробования буровых скважин позволяет вычленить неоднородные по трещиноватости и водопроницаемости инженерно-геологические элементы в основании гидроузла (в случае Богучан-ской ГЭС оказалось 11 инженерно-геологических элементов), найти границы инженерно-геологических элементов на геологических разрезах, определить эффективные значения коэффициента фильтрации для каждого инженерно-геологического элемента с указанием доверительных интервалов для среднего значения на уровне надежности 95 %.

Библиографический список

1. Чернышев С.Н., Зоммер Т.В., Лаврусевич А.А. Определение фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения методом статистического анализа на примере Богучанской ГЭС // Вестник МГСУ. 2016. № 1. С. 150—160.

2. Рац М.В., Чернышев С.Н., Слепцов Б.Г. Разработка критериев оптимальной глубины врезки бетонных плотин в скальные основания. Статистический анализ водопроницаемости основания Богучанской ГЭС. М. : ПНИИИС, 1975.

3. Чернышев С.Н. Принципы классификации грунтовых массивов для строительства // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 41—46.

4. Chernyshev S.N., Paushkin G.A. Determination du module de deformabilite des roches en place. Symposium International // Reconnaissance des Sols et des Roches par Essais en Place. Paris, France, 1983.

5. Chernyshev S.N. Estimation of the permeability of the jointy rocks in massif. Symp. on Percolation Through Fissured Rock, Proc, Sep 18—19 1972; Stuttgart, W Ger.

6. П 54—90. Методика составления моделей водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехнических сооружений. Пособие к СНиП 2.02.02—85. СПб. : ВНИИГ, 1992. 107 c.

7. Газиев Э.Г., Речицкий В.И., Боровых Т.Н. Исследование фильтрационного потока в блочной среде применительно к проектированию сооружений в скальных массивах // Труды Гидропроекта. 1980. № 68. С. 137—147.

S. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А., Желанкин В.Г. Фильтрация в грунтовых плотинах в плоской и пространственной постановке // Гидротехническое строительство. 1989. № 11. С. 26—32.

9. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений и оснований // Гидротехническое строительство. 2000. № 11. С. 2—7.

10. Анискин Н.А., Тхань То В. Прогноз фильтрационного режима грунтовой плотины Юмагузинского гидроузла и ее основания // Гидротехническое строительство. 2005. № 6. С. 19—25.

11. Orekhov B.G., Zertsalov M.G. Fracture mechanics of engineering structures and rocks. Rotterdam, 2001.

12. Aniskin N.A., MemarianfardM.E. Effect of filtration anisotropy of soils within the body of a dam on parameters of filtration flow and slope stability // Power Technology and Engineering. 2012. Vol. 45. No. 6. Pp. 422—426.

13.ХодзинскаяА.Г., Зоммер Т.В. Гидравлика и гидрология транспортных сооружений. М., 2014. 92 с.

14. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А., Бестужева А.С., Саинов М.П., Толстиков В.В. Сангтудинский гидроузел: напряженно-деформированное состояние и фильтрация в основании плотины и в обход гидроузла // Гидротехническое строительство. 2008. № 5. С. 45—58.

15. Raymer J., Maerz N.H. Effect of variability on average rock-mass permeability // 48th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium, University of Minnesota, Twin Cities CampusMinneapolis; United States. 1—4 June 2014. 3. Pp. 1822—1829.

16. Волынчиков А.Н., Газиев Э.Г. Анализ вертикальных смещений бетонной плотины Богучанской ГЭС в период первого заполнения водохранилища // Гидротехническое строительство. 2014. № 8. С. 13—17.

17. Газиев Э.Г. Скальные основания бетонных плотин. М. : Изд-во АСВ, 2005. 280 с.

18. Савич А.И., Речицкий В.И., Замахаев А.М., Пудов К.О. Комплексные исследования деформационных свойств массива долеритов в основании бетонной плотины Богучанской ГЭС // Гидротехническое строительство. 2011. № 3. С. 12—22.

19. Чернышев С.Н. Экзогенные деформации траппов в долине р. Ангары // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 1965. № 12. С. 78—85.

20. Ильин Н.И., Чернышев С.Н., Дзекцер Е.С., Зильберг В.С. Оценка точности определения водопроницаемости горных пород / под ред. Л.Д. Белый. М. : Наука, 1971. 150 с.

21. Чернышев С.Н. Движение воды по сетям трещин. М. : Недра, 1979. 142 с.

22. Чернышев С.Н. Трещиноватость горных пород и ее влияние на устойчивость откосов. М. : Недра, 1984. 111 с.

23. Chernyshev S.N., Dearman W. Rock fractures. London : Butterwort-Heinemann, 1991. 272 p.

24. Чаповский А.Е., Перцовский В.В. Экспериментальное исследование неоднородности горных пород в плане // Разведка и охрана недр. 1972. № 1. С. 45—49.

25. Самсонов Б.Г., Зильберштейн Б.М., Бурдакова О.Л. Определение гидрогеологических параметров при эффективной неоднородности водоносных горизонтов // Гидрология и инженерная геология. Экспресс-информация ВИЭМС, МГ СССР. 1972. № 4.

26. Wu J.L., He J. Determination of volumetric joint count based on 3D fracture network and its application in engineering // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 580—583. Pp. 907—911.

27. Gudmundsson A., Lo TveitI.F. Sills as fractured hydrocarbon reservoirs: Examples and models // Geological Society Special Publication. 2014. Vol. 374 (1). Pp. 251—271.

28. Mohajerani S., Baghbanan A., Bagherpour R., Hashemolhosseini H. Grout penetration in fractured rock mass using a new developed explicit algorithm // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015. Vol. 80. Pp. 412—417.

29. ZhouX.-P., GuX.-B., Wang Y.-T. Numerical simulations of propagation, bifurcation and coalescence of cracks in rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015. Vol. 80. Pp. 241—254.

30. Wei J., Weifeng S., Guiting H. Insights into the tectonic fractures in the yanchang formation interbedded sandstone-mudstone of the ordos basin based on core data and geomechanical models // Acta Geologica Sinica. 2015. 89 (6). Pp. 1986—1997.

ВЕСТНИК 2/2016

31. Nguyen T.K., PouyaA., Rohmer J. Integrating damage zone heterogeneities based on stochastic realizations of fracture networks for fault stability analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015. 80. Pp. 325—336.

32. Akbardoost J., Ayatollahi M.R. Experimental analysis of mixed mode crack propagation in brittle rocks: The effect of non-singular terms // Engineering Fracture Mechanics. 2014. Vol. 129. Pp. 77—89.

33. Meyer J.R., Parker B.L., Cherry J.A. Characteristics of high resolution hydraulic head pro-files and vertical gradients in fractured sedimentary rocks // Journal of Hydrology. 2014. Vol. 517. Pp. 493—507.

Поступила в редакцию в январе 2016 г.

Об авторах: чернышев сергей николаевич — доктор геолого-минералогических наук, профессор, профессор кафедры инженерной геологии и геоэкологии, национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (нИУ МГсУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 18383-47, 9581148@list.ru;

Зоммер татьяна валентиновна — преподаватель кафедры инженерной геологии и геоэкологии, заведующий лабораторией гидравлики, национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (нИУ МГсУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ZommerTV@mgsu.ru;

лаврусевич Андрей Александрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (нИУ МГсУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-83-47, (495) 500-84-26, lavrusevich@yandex.ru.

Для цитирования: Чернышев С.Н., Зоммер Т.В., Лаврусевич А.А. Методика определения фильтрационной неоднородности скальных массивов основания гидросооружения // Вестник МГСУ. 2016. № 2. С. 116—125.

S.N. Chernyshev, T.V. Zommer, A.A. Lavrusevich

METHOD OF DETERMINING THE FILTRATION HETEROGENEITY OF A ROCK MASS OF HYDRAULIC STRUCTURE FOUNDATION

In the article the author's technique of estimating the flow heterogeneity of a rock mass of waterworks foundation is considered. The method for allocating the engineering-geological elements on the basis of the filtration heterogeneity of rocky soils is updated on the example of Boguchanskaya HPP on the Angara river. The authors investigated the applicability of the proposed methods for determining the filtration inhomogeneity of a rock foundation of hydraulic structures in order to better highlight the engineering-geological elements on the example of the Boguchany hydroelectric complex. When analyzing the factual material by the results of about 1000 filtration experiments from geological considerations and in order to separate the data, we have identified three rocky soil masses. The first massif is the right bank of the folded thickness of sedimentary rocks that slope towards the river and is subject to significant supergene changes. The second massif includes underflow and left-coast sedimentary rocks, which are less altered by supergene processes than the right coast for a number of reasons. The third array consists of dolerite under the riverbed and on the right bank. For these three arrays according to the results of the filtration experiments, we have built histograms of the distribution of lgg and differential curves of distribution of the specific absorption for dolerites in the area Kodinsky of the Boguchanskaya HPP.

Then in the histogram we identified the corresponding values of the modal components of the distribution and found the statistical characteristics for each of the selected distributions, as well as the mean value and the variance. For further operations, we computed the standard deviation s for each of the distributions. The degree of fracture is evaluated by taking into account the indicator of permeability, therefore, the main geological characteristics of the cracks are their width and length, and only after all this will take into account their frequency. Then we begin searching the locations on a section of fracture zones, which correspond to the components in the distribution formula. So we distinguish the summands of the sum on the formula distribution: for sedimentary rocks of the riverbed — 3; for dolerite — 3; for a massif of sedimentary rocks on the right bank with the most complex structure — 6 zones with different fracture. The determination of zones with different fracturing in accordance with the described procedure allowed us to construct a resulting filtration section for the three massifs. As a result, according to the above method, based on the analysis of factual material, including the results of numerous filtration experiments, the authors constructed the resulting filtration hydrogeological section. This technique is statistical and genetic in nature, therefore it seems more effective compared with the method of regression analysis recommended in the appendix to SNiP. Thus, the proposed formalized methodology for the separation of rock soils located at the base of HPP to individual engineering-geological elements according to the results of experimental mass filtration testing of drilling wells has allowed us to isolate the heterogeneous fracture permeability and geotechnical elements in the basis of HPP (in the case of the Boguchanskaya HPP, we have identified 11 engineering-geological elements), and allowed us to find the boundaries of engineering-geological elements in geological cross-sections. In addition, we determined the effective values of filtration coefficient for each engineering-geological element indicating the confidence intervals for the mean value at the 95 % confidence level.

Key words: hydraulic structures, rock foundations, hydropower station, seepage conditions, filtration heterogeneity, field observations, statistical analysis, Boguchans-kaya HPP

References

1. Chernyshev S.N., Zommer T.V., Lavrusevich A.A. Opredelenie fil'tratsionnoy neod-norodnosti skal'nykh massivov osnovaniya gidrosooruzheniya metodom staticheskogo analiza na primere Boguchanskoy GES [Statistical Analysis of Determining the Filtration Heterogeneity of Foundation Rock Mass of Hydraulic Structures on the Example of the Boguchanskaya HPP]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 1, pp. 150—160. (In Russian)

2. Rats M.V., Chernyshev S.N., Sleptsov B.G. Razrabotka kriteriev optimal'noy glubiny vrezki betonnykh plotin v skal'nye osnovaniya. Statisticheskiy analiz vodopronitsaemosti os-novaniya Boguchanskoy GES [Developing the Criteria of Optimal Incision Depth of Concrete Dams into Rock Foundations. Statistical Analysis of Water Permeability of the Boguchanskaya HPP Foundation]. Moscow, PNIIIS Publ., 1975. (In Russian)

3. Chernyshev S.N. Printsipy klassifikatsii gruntovykh massivov dlya stroitel'stva [Principles of Classification of Soil Masses for Construction Purposes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 41—46. (In Russian)

4. Chernyshev S.N., Paushkin G.A. Determination du module de deformabilite des roches en place. Symposium International. Reconnaissance des Sols et des Roches par Essais en Place. Paris, France, 1983.

5. Chernyshev S.N. Estimation of the Permeability of the Jointy Rocks in Massif. Symp on Percolation through Fissured Rock, Proc., Sep 18—19 1972. Stuttgart, W Ger.

6. P 54—90. Metodika sostavleniya modeley vodopronitsaemosti skal'nykh massivov v osnovaniyakh gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [Article 54—90. Methods of Creating Waterproof Models of Rock Masses in Foundations of Hydraulic Structures]. Posobie k SNiP 2.02.02—85 [Manual to Construction Rules SNiP 2.02.02—85]. Saint Petersburg, VNIIG Publ., 1992, 107 p. (In Russian)

ВЕСТНИК 2/2Q16

7. Gaziev E.G., Rechitskiy V.I., Borovykh T.N. Issledovanie fil'tratsionnogo potoka v blochnoy srede primenitel'no k proektirovaniyu sooruzheniy v skal'nykh massivakh [Investigation of Filtration Flow in Block Environment in Design of Structures in Rock Masses]. Trudy Gidroproekta [Works of Hydroproject]. 1980, no. 68, pp. 137—147. (In Russian)

8. Rasskazov L.N., Aniskin N.A., Zhelankin V.G. Fil'tratsiya v gruntovykh plotinakh v ploskoy i prostranstvennoy postanovke [Filtration in Soil Dams in Flat and 3D Statement]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 1989, no. 11, pp. 26—32. (In Russian)

9. Rasskazov L.N., Aniskin N.A. Fil'tratsionnye raschety gidrotekhnicheskikh sooruzheniy i osnovaniy [Filtration Calculations of Hydraulic Structures and Foundations]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2000, no. 11, pp. 2—7. (In Russian)

10. Aniskin N.A., Tkhan' To V. Prognoz fil'tratsionnogo rezhima gruntovoy plotiny Yu-maguzinskogo gidrouzla i ee osnovaniya [Prediction of Seepage Conditions of the Soil Dam of Yumaguzinskiy Hydroengineering Complex and Its Foundation]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2005, no. 6, pp. 19—25. (In Russian)

11. Orekhov B.G., Zertsalov M.G. Fracture Mechanics of Engineering Structures and Rocks. Rotterdam, 2001.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Aniskin N.A., Memarianfard M.E. Effect of Filtration Anisotropy of Soils within the Body of a Dam on Parameters of Filtration Flow and Slope Stability. Power Technology and Engineering. 2012, vol. 45, no. 6, pp. 422—426. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s10749-012-0288-y.

13. Khodzinskaya A.G., Zommer T.V. Gidravlika i gidrologiya transportnykh sooruzheniy. Uchebnoe posobie [Hydraulics and Hydrology of Transport Constructions. Study Guide]. Moscow, 2014, 92 p. (In Russian)

14. Rasskazov L.N., Aniskin N.A., Bestuzheva A.S., Sainov M.P., Tolstikov V.V. Sangtudi-nskiy gidrouzel: napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie i fil'tratsiya v osnovanii plotiny i v obkhod gidrouzla [Sangtudinsk Hydroengineering Complex: Stress-Strain State and Filtration in the Dam Foundation and Bypassing the Hydroengineering Complex]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2008, no. 5, pp. 45—58. (In Russian)

15. Raymer J., Maerz N.H. Effect of Variability on Average Rock-Mass Permeability. 48th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium, University of Minnesota, Twin Cities Cam-pusMinneapolis, United States, 1—4 June 2014, no. 3, pp. 1822—1829.

16. Volynchikov A.N., Gaziev E.G. Analiz vertikal'nykh smeshcheniy betonnoy plotiny Boguchanskoy GES v period pervogo zapolneniya vodokhranilishcha [Analysis of Vertical Shifts of a Concrete Dam of Boguchanskaya HPP in the Period of the First Filling of the Reservoir]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2014, no. 8, pp. 13—17. (In Russian)

17. Gaziev E.G. Skal'nye osnovaniya betonnykh plotin [Rock Foundations of Concrete Dams]. Moscow, ASV Publ., 2005, 280 p. (In Russian)

18. Savich A.I., Rechitskiy V.I., Zamakhaev A.M., Pudov K.O. Kompleksnye issledovani-ya deformatsionnykh svoystv massiva doleritov v osnovanii betonnoy plotiny Boguchanskoy GES [Complex Investigations of Deformation Properties of Dolerite Masses in the Foundation of the Concrete Dam of Boguchanskaya HPP]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2011, no. 3, pp. 12—22. (In Russian)

19. Chernyshev S.N. Ekzogennye deformatsii trappov v doline r. Angary [Exogenous Deformations of Traps in the Valley of Angara River]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Geologiya i razvedka [News of Institutions of Higher Education. Geology and Esploration]. 1965, no. 12, pp. 78—85. (In Russian)

20. Il'in N.I., Chernyshev S.N., Dzektser E.S., Zil'berg V.S. Otsenka tochnosti opredele-niya vodopronitsaemosti gornykh porod [Estimating Determination Accuracy of Water Permeability of Rock Formations]. Moscow, Nauka Publ., 1971, 150 p. (In Russian)

21. Chernyshev S.N. Dvizhenie vody po setyam treshchin [Water Motion through the Network of Cracks]. Moscow, Nedra Publ., 1979, 142 p. (In Russian)

22. Chernyshev S.N. Treshchinovatost' gornykh porod i ee vliyanie na ustoychivost' ot-kosov [Jointing of Rock Masses and its Influence on the Stability of Slopes]. Moscow, Nedra Publ., 1984, 111 p. (In Russian)

23. Chernyshev S.N., Dearman W. Rock Fractures. London, Butterwort-Heinemann, 1991, 272 p.

24. Chapovskiy A.E., Pertsovskiy V.V. Eksperimental'noe issledovanie neodnorodnosti gornykh porod v plane [Experimental Investigation of Rock Inhomogeneity in Plan]. Razvedka i okhrana nedr [Exploration and Preservation of Mineral Resources]. 1972, no. 1, pp. 45—49. (In Russian)

25. Samsonov B.G., Zil'bershteyn B.M., Burdakova O.L. Opredelenie gidrogeo-logicheskikh parametrov pri effektivnoy neodnorodnosti vodonosnykh gorizontov [Determination of Hydrogeological Parameters in Cae of Effective Inhomogeneity of Aquifers]. Gidrologi-ya i inzhenernaya geologiya. Ekspress-informatsiya VIEMS, MG SSSR [Hydrology and Engineering Geology. Express Information of VIEMS, MG USSR]. 1972, no. 4. (In Russian)

26. Wu J.L., He J. Determination of Volumetric Joint Count Based on 3D Fracture Network and Its Application in Engineering. Applied Mechanics and Materials. 2014, vols. 580— 583, pp. 907—911. DOI: http://www.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.580-583.907.

27. Gudmundsson A., Lo Tveit I.F. Sills as Fractured Hydrocarbon Reservoirs: Examples and Models. Geological Society Special Publication. 2014, vol. 374 (1), pp. 251—271. DOI: http://www.doi.org/10.1144/SP374.5.

28. Mohajerani S., Baghbanan A., Bagherpour R., Hashemolhosseini H. Grout Penetration in Fractured Rock Mass Using a New Developed Explicit Algorithm. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015, vol. 80, pp. 412—417. DOI: http://www.doi. org/10.1016/j.ijrmms.2015.06.013.

29. Zhou X.-P., Gu X.-B., Wang Y.-T. Numerical Simulations of Propagation, Bifurcation and Coalescence of Cracks in Rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015, vol. 80, pp. 241—254. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.09.006.

30. Wei J., Weifeng S., Guiting H. Insights Into the Tectonic Fractures in the Yanchang Formation Interbedded Sandstone-Mudstone of The Ordos Basin Based on Core Data and Geomechanical Models. Acta Geologica Sinica. 2015, no. 89 (6), pp. 1986—1997. DOI: http:// www.doi.org/10.1111/1755-6724.12612.

31. Nguyen T.K., Pouya A., Rohmer J. Integrating Damage Zone Heterogeneities Based on Stochastic Realizations of Fracture Networks for Fault Stability Analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015, vol. 80, pp. 325—336. DOI: http:// www.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.10.005.

32. Akbardoost J., Ayatollahi M.R. Experimental Analysis of Mixed Mode Crack Propagation in Brittle Rocks: The Effect of Non-Singular Terms. Engineering Fracture Mechanics. 2014, vol. 129, pp. 77—89. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.05.016.

33. Meyer J.R., Parker B.L., Cherry J.A. Characteristics of High Resolution Hydraulic Head Pro-Files and Vertical Gradients in Fractured Sedimentary Rocks. Journal of Hydrology. 2014, vol. 517, pp. 493—507. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.05.050.

About the authors: Chernyshev Sergey Nikolaevich — Doctor of Geologo-Mineral-ogical Sciences, Professor, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaro-slavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-83-47, 9581148@list.ru;

Zommer Tat'yana Valentinovna — Lecturer, Department of Engineering Geology and Geoecology, head, Laboratory of Hydraulics, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ZommerTV@mgsu.ru;

Lavrusevich Andrey Aleksandrovich — Doctor of Geologo-Mineralogical Sciences, Professor, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-83-47, +7 (495) 500-84-26; lavrusev-ich@yandex.ru.

For citation: Chernyshev S.N., Zommer T.V., Lavrusevich A.A. Metodika opredeleniya fil'tratsionnoy neodnorodnosti skal'nykh massivov osnovaniya gidrosooruzheniya [Method of Determining the Filtration Heterogeneity of a Rock Mass of Hydraulic Structure Foundation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 2, pp. 116—125. (In Russian)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.