CC BY
45
ОБОСНОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННО-СУФФОЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ОСНОВАНИЯ ОТСЕЧНОЙ ПЛОТИНЫ СЕВЕРНОЙ ПЭС В ГУБЕ ДОЛГОЙ
В.А. Болтунов, С.В. Борткевич, С.Г. Воронин
ОАО «НИИЭС» А.Д. Потапов
МГСУ
Для расчёта потерь из отсечного водоёма ПЭС необходимо построить концептуальную гидрогеологическую модель подземных (поддонных) вод в грунтовой толще основания отсекающей плотины Северной ПЭС. Такая модель даёт наглядное представление о структуре водных потоков в толще поддонных грунтов в устьевой части губы Долгой в форме блок-схемы (разреза), позволяющего упростить исходные данные по грунтам основания для того, чтобы определить пространственные и временные параметры цифровой модели и строение расчётной сетки.
Now there are no the universal mathematical models describing a reversive filtration of sea water in the basis of retain dam Ebb-Tade EPS from retain of a reservoir in the sea and back, from an external sea reservoir in retain water area at creation of a pressure at a construction retain dams of tidal power stations. Various ways of simplification of an environment will lead to variations of mathematical models, each of which in a various degree will be adequate to natural hydro-geological conditions of studied object.
Геофильтрационная модель основания отсекающей плотины Северной ПЭС в губе Долгой построена на основе геологических, геофизических и гидрогеологических данных с учётом водноэнергетических расчётов, предусматривающих диспетчерский режим работы гидроагрегата ПЭС в зависимости от гидрологического режима акватории, определяемого циклом «прилив - отлив» [1,].
Основные исходные данные: Геологическая карта М 1: 5 000; Инженерно - геологическая карта М 1: 2 000, Данные инженерно - геологического бурения скважин в створе отсекающей плотины; Результаты опытно - фильтрационных исследований донных грунтов основания плотины ПЭС; Результаты водно - энергетических расчётов гидроагретата ПЭС, определяющие диспетчерский режим работы ПЭС; Графики приливно - отливных явлений в губе Долгой, определяющие продолжительность реверсивного (туда - обратно) характера фильтрации под телом плотины (рис. 1);Определение глубины залегания подошвы донных рыхлых четвертичных отложений, сложенной крепкими гранитами (граница Б);Комплект геолого - гидрогеологических разрезов.
В результате анализа геолого - гидрогеологических условий створа ПЭпринята гидрогеологическая расчётная схема, представляющая собой один водоносный горизонт без разделительного слоя с реверсивным уровнем морских вод, колеблющемся в рабочем режиме гидроагрегата от 0 до 1,5 ( в прилив) м от уровня моря и от 1,5 м до 0 м (в отлив).
В результате длительных предпроектных проработок за основу принята весьма технологичная схема сооружений Северной ПЭС из наплавных блоков (7 блоков). Насыпная часть плотины приходится лишь на бортовые примыкания.
Ширина потока под плотиной принимается равной 1 000м, глубина его равно толще рыхлых четветричных отложений и составляет 40 м.
Принимается, что рыхлые четвертичные морские, моренные и ледниково - морские отложения залегают на вмещающих практически водонепроницаемых гранитах (на рис.1 - граница Б).
сы песком); б- для случая однородной ограждающей дамбы из горной массы (Кф = 65 000 м/сут); жёлтая кривая- уровень моря; голубая и коричневая- уровни бассейна.
Чаша акватории губы Долгой представляет собой «ванну», выпаханную ледниками четвертичного оледенения, т.е. типично троговую долину с полого наклонёнными бортами, с углами уклона до 14 - 15 0 [10,11]. За расчётную принимается площадь призмы, в пределах которой все 5 выделенных инженерно-геологических элементов разделены на 3 расчётные блока (рис.2. ) Считается, что «...знакопеременность напора оказывает отрицательное влияние на суффозионную прочность откосов природного основания отсекающей плотины, которая в отличие от уплотняющего воздействия малой волны на пляжный откос «раскачивает» мелкие частицы грунта. Быстрое изменение напора, полная и скорая во времени сра-ботка бассейна ПЭС, особенно ощутимая при двусторонней работе ПЭС, не характерная для условий нормальной эксплуатации речных ГЭС, накладывают дополнительные требования в отношении предотвращения суффозии и оплывания откосов».
Колебание уровня моря около 5 м, но при заполненном водоёме уровень воды во внутреннем бассейне всегда будет несколоко выше уровня в море. Отсюда следует, что в процессе эксплуатации ПЭС будет преобладать фильтрация из отсечного водоёма (рис. 1, а).
При составлении настоящей статьи использованы материалы изысканий института ОАО «Ленгидропроект», ОАО «АМИГЭ» и результаты лабораторных исследований грунтов морского дна, доставленных в ОАО «НИИЭС» от ОАО «АМИГЭ» со створа Северной ПЭС.
ВЕСТНИК _МГСУ
В отделе оснований и грунтовых сооружений (ООГС) ОАО «НИИЭС» были проведены исследования физических свойств грунтов в количестве 181 пробы. Был исследован гранулометрический состав, определены предельно рыхлое и предельно - плотное сложение несвязных грунтов. Кроме этого для различных по гранулометрическому составу грунтов были определены коэффициент фильтрации и рассчитаны допустимые градиенты напора.
ffî
$>
$р
! то
60
i я
Jj- 40
JO
Л?
ш
'У,
Песок Гш0ш Гальм
Иепа£ Lfvdii! Кд/rtii М&лш ф Кп Н&кж (¿HÎfflf
/ /
/ /
/ / f (ИГЭ-4 /
,Я~Э ! / / /
/
/ V
J /
Л f
if3-2 V
Лиаметр фракции, ми
Рис.2. Гранулометрический состав грунтов инженерно-геологических элементов, выделенных в грунтовой толще морского дна в створе сооружений Северной ПЭС При выполнении ситового анализа отмечено значительное содержание обломков раковин в песке (до 30 %). На рис. 2 представлены фотографии рассева по фракциям исследованных грунтов. Определение плотности сухого грунта в предельно-рыхлом сложении произведено по по ГОСТ 22733-2002 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности». Результаты лабораторного определения плотности и расчёта коэффициентов пористости для указанных предельных состояний грунтов приведены в таблице 1.
На основании лабораторных исследований образцов несвязных грунтов, предоставленных ОАО «АМИГЭ», а также литературных источников, были определены расчётные характеристики грунтов основания сооружений Северной ПЭС. Кроме того учтено, что особенностью морской абразии, осадкообразования и литодинамики в системе «берег-море» и, одновременно, специфическим факторам природной обстановки створа Северной ПЭС в губе Долгой является наличие в горле губы подводного вала-бара, сформированного в результате геологической деятельности ледника, впадавшего в море во времена оледенений в четвертичный период. Подводная толща грунтов вала - бара, который обусловил современную геометрию морского дна, наращивалась ледником и современными прцессами морской абразии с последующей аккумаляцией и сформировалась, как естественный гаситель энергии штормовых и приливных морских волн в выбранном сечении горловины губы Долгой, где предусматривается возведение отсечной плотины проектируемой ПЭС.
Обоснование расчётных характеристик грунтов морского дна в створе Северной ПЭС. [1]
Грунты толщн морского дна разбиты на 5 разновидностей:
ИГЭ-1. Песок мелкий, пёстрый, водонасыщенный, рыхлого сложения, с обломками и целыми створками раковин, содержание частиц ё > 0,1 мм достигает 95,8 %, с включением гальки (до 2%), с гравием (до 2,2 %), степень окатанности крупнообломочного материала 2-3 балла (по шкале Рухина И. И.). Контакт с нижележащим слоем резкий.
- ИГЭ-2. Песок средней крупности, серый, содержание частиц ё > 0,25 мм достигает 72 %, водонасыщенный, рыхлого сложения, с обломками раковин, содержание гальки до 5 %, степень окатанности крупнообломочного материала 2-3 балла. Контакт с нижележащим слоем резкий.
- ИГЭ-3. Песок крупный, с содержанием частиц ё > 0,5 мм до 72 %, серый, водонасыщенный, средней плотности сложения, с обломками и целыми створками раковин с включением гальки (до 3 %), размером до 4 см, с включением гравия до 15 %, степень окатанности 2 - 3 балла, с редкими включениями щебня размером до 5 см. Контакт с нижним слоем постепенный.
- ИГЭ-4. Песок гравелистый с содержанием фракции ё > 2 мм до 52,5 %, пё-строцветный, водонасыщенный, рыхлого сложения, содержание гальки до 42 %, размером > 10 см, окатанность 2-3 балла, гравия 5-10 %, заполнитель-песок средней крупности. С включением раковинного детрита. Контакт с нижележащим слоем резкий.
- ИГЭ-5. Галечниковый грунт, водонасыщенный, однородный, рыхлого сложения, с включением гравия до 5 %, битой ракуши, содержание фракции ё >10 мм достигает 56,2 %.
Пробы грунтов, отобранные из вышеуказанных инженерно-геологических элементов, были высушены и рассеяны на колонке сит для определения гранулометрического состава в соответствии ГОСТ 12536-79 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава». Гранулометрический состав грунтов с указанием инженерно-геологических элементов, представлен ниже.
Результаты лабораторного определения предельных значений плотности и расчёта коэффициента пористости грунтов, отобранных из выделенных инженерно-геологических элементов толщи морского дна.
Таблица 1
игэ Плотность сухого грунта Коэффициент пористости Плотность грунта взвешен. в воде р*=(р,-1)/(1+е)
в предельно рыхлом состоянии „ min / 3 Pd , т/м в предельно плотном состоянии р„тм, Т/М3 в предельно рыхлом состоянии етах, Д .ВД в предельно ПЛОТНОМ СОСТОЯНИИ, етш, Д. ед.
1 1,40 (1,30-1,50) 1,75 0,89 0,51 0,87-1,09
2 1,54 1,85 0,72 0,43 1,08-1,13
3 1,61 1,93 0,65 0,37 1,0-1,20
4 1,74 2,05 0,52 0,29 1,08-1,28
Примечания к таблице 1:1. Дробью указаны в числителе - средняя предельно рыхлая плотность грунта в выделенном инженерно-геологическом элементе, характеризую-
щемся существенным диапазоном изменения гранулометрического гранулометрического состава. 2. В расчётах величины коэффициентов пористости плотности грун-
1 ¿с / 3 э / min\ / min / max\/ max
mapo=2,65 т/м . 3. emax =(ps -pd )/pd , emin = (ps -pd )/pd . состава; в знаменателе - её граничные значения для соответствующих кривых
Как видно из таблицы, полученные на основе лабораторных исследований значения плотности грунта, взвешенного в воде, соответствуют значениям, полученным при буровых работах ОАО «АМИГЭ».в аквтории губы Долгой.
Учитывая, что во всех выделенных инженерно-геологических элементах грунты характеризуются рыхлым сложением, определён возможный диапазон изменения значений их коэффициентов пористости и по этим значениям - соответствующие расчётные прочностные (ф0 и С), и деформационные характеристики (Е, р.), а также расчётное сопротивление R согласно СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» и «Справочника проектировщика» .
Диапазон изменения значений коэффициентов пористости (е) для грунтов
( е - е.\
рыхлого сложения составляет от (emax) до I emax - max mn I.
Результаты определения расчётных физико-механических характеристик грунтов сведены в таблицу 2.
Имея качественную оценку плотности сложения песчаных грунтов по результатам разведочного бурения [1], воспользуемся предложениями М.Н. Гольдштейна и А.Л. Рубинштейна о том, что критическая пористость может быть использована как критерий для оценки устойчивости грунта в отношении разжижения.
Учитывая значительное содержание песчаных грунтов в рассматриваемом массиве, следует оценить возможность их разжижения при гидродинамическом воздействии, когда вместо песчаного грунта, сохраняющего устойчивость за счёт сил трения между его частицами, образуется суспензия (тяжёлая вода со взвешенными в ней частицами песка), в которой может тонуть морское сооружение или произойти крен фундаментной части
Расчётные физико-механические характеристики грунтов в выделенных инженерно-геологических элементах морского дна. _Таблица 2
игэ Плотн. сухого грунта Pd, т/м3 Днапозон изменения коэфф. пористости e, д.ед. Угол внутреннего трения ^ град. Сцепление, с, МПа Модуль деформации E, МПа Коэфф. Пуассона, Ц Расчётное сопротивл. грунта, R КПа (кг/см2)
1 1,46 0,89- 0,76 30 0 20 0,28 200 (2)
2 1,66 0,65- 0,56 34 0 30 0,26 450 (4.5)
3 1,70 0,60- 0,52 36 0 40 0,24 500 (5)
4 1,79 0,52- 0,44 37 0 50 0,22 600 (6)
5 1,77 0,54- -0,46 40 0 60 0,20 600 (6)
Коэффициент трения бетона по мокрому necKytgy= 0,45.
Известно, что для крупного песка величина критической пористости близка к наиболее рыхлому его состоянию, а для среднего и мелкого песка критическая пористость приблизительно равна средней величине между его рыхлым и плотным состоянием. Отсюда следует, что разжижение песков в инженерно-геологическом элементе ИГЭ-1 может произойти. Вместе с этим, необходимо учитывать, что слои песчаных грунтов, находящиеся под давлением от массы вышележащих грунтов или обжатые давлением морского сооружения, менее подвержены разжижению и оно возможно, но только в том случае, когда взвешивающий грунтовые частицы напор воды преодолевает силы трения между частицами. Таким образом возможность разжижения зависит от интенсивности сдвигающего воздействия и величины обжимающего грунт давления. Отсюда следует, что соотношение напряжений в грунте после возведения сооружений ПЭС должно определяться расчётом морского сооружения. Для гранитов ИГЭ-6 расчётные характеристики даны представлены в таблице 3
Определение коэффициентов фильтрации и допустимых градиентов напора.
Чаша акватории губы Долгой представляет собой «ванну», выпаханную ледниками четвертичного оледенения и тектоническими процессами, т.е. типичную троговую долину с круто наклонёнными бортами, с углами наклона до 45-600. Рыхлые современные верхнечетвертичные морские отложения залегают на вмещающих практически водонепроницаемых гранитах. По данным ОАО «АМИГЭ», геологический разрез донных отложений в створе сооружений ПЭС представлен переслаивающимися, не выдержанными по глубине и простиранию, фациально замещающими друг друга слоями морских несвязных отложений.
Расчётные характеристики гранитов по [7].
_Таблица 3
Физические свойства Прочность Деформируемость
№№ п/п Гранит Водо- Плотность, г/см3 .4 Н и ? а? Сопротивл. сжатию, МПа Сопротивл. сдвигу Е,
насыщ, W% р Р* о а ^еж сух Ксж обвод ф С, МПа МПа
повы-
шенн.
1 трещ инова тости 0,20 2,6 9 2,70 14,1 90 65 0,6 5 0,2 80 0,2 5
Гранит
2 относит. 0,06 2,7 0 2,79 8,0 200 160 0,7 5 0,3 15 0 0,2 0
сохра нный
4/2009 ВЕСТНИК _4/2009_МГСУ
Разработка фильтрационно - суффозионной модели.
Для выделенных инженерно-геологических элементов донных отложений по [1] определены коэффициенты фильтрации грунтов в зависимости от их коэффициентов разнозернистости и диаметра частиц (ё17), содержащихся в грунте менее 17 % по весу.
Параметры грунтов таковы:для ИГЭ-1 ^=ё60/ё10=6; ё17=0,35 мм;
для ИГЭ-2 л=12,7; ёп=0,4 мм;
для ИГЭ-3 ^=6; ё17=0,6 мм;
для ИГЭ-4 ^=9,2; ё17= 0,9 мм;
для ИГЭ-5 ^=25,0; ё17= 3,0 мм
Соответствующие этим параметрам коэффициенты фильтрации согласно рис. 6 составляют:
для ИГЭ-1 Кф=0,05 см/с или =40 м/сут; для ИГЭ-2 Кф=0,08 см/с или =70 м/сут; для ИГЭ-3 Кф= 0,20 см/с или =200 м/сут; для ИГЭ-4 Кф=0,60 см/с или =500 м/сут; для ИГЭ-5 Кф=2,00 см/с или =2000 м/сут.
Допустимые средние градиенты напора фильтрации (г) по линии подземного контура
сооружений определены по таблице 3:
для ИГЭ-1 г=0.25;
для ИГЭ-2 г=0,33;
для ИГЭ-3, ИГЭ-4 и ИГЭ-5 г=0,40.
Основным видом фильтрационных разрушений рассматриваемых грунтов может являтсья механическая суффозия - вынос фильтрационным потоком мелких частиц заполнителя их толщи грунта, что может вызвать деформации основания и, как следствие - неравномерные осадки сооружений ПЭС. Поэтому была выполнена оценка суффозионной прочности грунтов в выделенных инженерно-геологических элементах На графики обобщённых результатов исследований по оценке суффозионности грунтов (см. рис. 6) с координатами и нанесены точки, характеризующие все выделенные инженерно-геологические элементы. Все точки попали в зону несуффозион-ных грунтов, кроме точек нижней границы инженерно-геологического элемента ИГЭ-1, которые характеризуют грунт, как суффозионный.
Определены условные коэффициенты разнозернистости: ^1=ё90/ё60 и ^11=ё90/ё15: Для ИГЭ-1 ^=0,9/0,45=2,0 ^"=0,9/0,26=3,5 (верхняя граница);
^=9/1,8=5,0 ^11=9/0,35=25,7 (нижняя граница);
Для ИГЭ- 2 ^=12/4=3 ^"=12/0,5=24;
Для ИГЭ-3 ^=20/5,5=3,6 ^"=20/0,8=25;
Для ИГЭ-4 ^=70/30=2,3; ^"=70/2,5=28.
Опираясь на полученные коэффициенты фильтрации и допустимые средние градиенты напора, а также на результаты определения суффозионности грунтов, по инженерно-геологическим разрезам составлена фильтрационно-суффозионная модель основания, описание которой приведено на рис.3.
Описание фильтрационно-суффозионной модели основания.
За основу составления фильтрационно-суффозионной модели была принята инженерно-геологическая обстановка по продольному створу отсекающей плотины Северной ПЭС, представленной в материалах ОАО «АМИГЭ» [1].
Чаша акватории губы Долгой представляет собой «ванну», выпаханную ледниками четвертичного оледенения, т.е. типично троговую долину с круто наклонёнными бортами, с углами уклона до 140-150. Поэтому рассматриваемая площадь пути фильтрации по вертикали принимается из расчёта:
- вся мощность четвертичных отложения при бурении не пройдена и принимается по данным непрерывного сейсмического профилирорвания (НСП), выполненного ОАО «Ленгидропроектом» (1971 г.) и ОАО «АМИГЭ» (2009 г), равной 40 м;
- ширина по дну, на котором устраивается отсечная плотина из наплавных блоков, принимается 716 м; общая длина плотины по гребню - 1200 м, из них 483 м составляют бортовые примыкания, выполненные в виде каменно-набросной дамбы высотой над уровнем моря 9,0 м;
с учётом крутопадающих гранитных бортов трога (140-150) , ширина троговой «трапеции» по низу принимается равной 233 м, площадь фильтрации по вертикали составляет около 19 000 м2 .
^ОНЁ
Рис.3 График зависимости коэффициента фильтации песчано-гравелистых грунтов от степени однородности и содержания частиц менее 1% по весу
По данным инженерных изысканий ОАО «АМИГЭ», геологический разрез донных отложений представлен переслаивающимися, не выдержанными по глубине и по простиранию, фациально замещающими друг друга слоями морских отложений.
В геологическом разрезе основания отсекающей плотины ПЭС выделено 5 инженерно - геологических элементов. В основу разделения на ИГЭ положены требования СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть I. Об-
щие правила производства работ», при этом главным признаком для выделения ИГЭ является гранулометрический состав и близкие значения коэффициента фильтрации. Фациальное переслаивание грунтов в инженерно-геологических элементах по схожему гранулометрическому составу позволяет объединить их в один расчётный блок с одним интервалом значений коэффициента фильтрации (Кф) и допустимого градиента напора (г). В итоге на рассматриваемую глубину до 40 м выделено 3 блока, с разделением по гранулометрическому составу, коэффициенту фильтрации (Кф) и допустимому градиенту напора (г). Фильтрационно-суффозионная модель основания отсекающей плотины Северной ПЭС в губе Долгой представлена на рис.4.
Рис.4. Результаты оценки суффозионной устойчивости грунтов основания отсечной
плотины ПЭС
Выводы и рекомендации
Выделенные по результатам изысканий в створе сооружений Северной ПЭС инженерно-геологические элементы толщи донных отложений представлены несвязными грунтами различного гранулометрического состава от мелкого песка до гравийно-галечникового грунта с песчаным заполнителем средней крупности.
В песке донных отложений содержится значительное количество обломков раковин (до 30 %), что обусловливает их рыхлое сложение и высокую пористость. Коэффициент пористости грунтов изменяется в пределах 0,44 - 0,89 для выделенных инженерно-геологических элементов. Их взаимное расположение по результатам изысканий в толще морского дна приведены в приложениях 2-6, а также в материалах инженерных изысканий ОАО «АМИГЭ».
Коэффициент фильтрации донных отложений колеблется в пределах 40 - 2000 м/сут, допустимые средние градиенты напора фильтрации по линии подземного контура сооружений составляют 0,25 - 0,40.
Грунты толщн морского дна в створе Северной ПЭС обладают довольно высокими прочностными и деформационными характеристиками, динамической устойчивостью и суффозионной прочностью. Исключение составляют некоторые фациальные разности грунтов инженерно-геологического элемента ИГЭ-1, которые предрасположены к суффозии и разжижению, что должно быть учтено при разработке инженерных решений для сооружений ПЭС.
Список литературы и фондовых материалов
1. Технический отчет по объекту: «Выполнение инженерно-геологических изысканий в акватории губы Долгой Баренцева моря для проекта Северной ПЭС» (стадия «Проектная документация»). ОАО «АМИГЭ», г. Мурманск, 2009.
2. Отчёт об инженерно-геологическом обследовании участка проектируемой Северной ПЭС (Договор № 6675/ 915-03 от 01.09.2008 г.). ОАО «Инженерный центр ЕЭС», Филиал «Институт Гидропроект», М., 2008.
3. Ронжин И. С. Некоторые критерии оценки фильтрационной прочности оснований гидротехнических сооружений. Гидротехническое строительство, № 7, М., 1974.
4. Болтунов В.А. О некоторых признаках, отличающих моренные ледниковые и мореноподоб-ные ледниково-морские отложения (на примере Шпицбергена). Вестник МГУ, сер «Геология»,Издательство МГУ им. М.В.Ломоносова, М., 1969.
5. Болтунов В.А. Особенности формирования физико-механических свойств прибрежных отложений Шпицбергена. Сб. статей «Инженерно-строительные изыскания», «Стройизы-скания» ЦТИСИЗ, М., 1975.
6. Технический отчёт по теме: «Обоснование расчётных характеристик грунтов морского дна в основании сооружений с разработкой его фильтрационно - суффозионной модели». ОАО «НИИЭС», М., 2009.
Ключевые слова: Приливно-отливная электростанция, фильтрационная модель, инженерно-геологические условия, плотина, суффозия, грунты, морское дно, прочность грунтов, изыскания.
Keywords: Ebb-tide power station, filtrational model, engineering-geological conditions, a dam, suf-fosion, soil, a sea-bottom, durability soils, researches.
В составе авторов член Редакционного совета «Вестника МГСУ» проф. А.Д.Потапов
