CC BY
23
© Н.Н. Абрамов, Ю.А. Епимахов, Е.В. Кабеев, А.Г. Антипов, 2003
УЛК 622.02.
Н.Н. Абрамов, Ю.А. Епимахов, Е.В. Кабеев,
А.Г. Антипов
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНОГО ОБСЛЕЛОВАНИЯ ВОЛОНАПОРНОГО ТОННЕЛЯ ВЕРХНЕ-ТЕРИБЕРСКОЙ ГЭС В ПРОЦЕССЕ ЕГО ЛЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В мировой практике гидротехнического строительства в скальных массивах довольно широко используются незакрепленные подводящие тоннели и шахтные стволы. 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 [1]. При этом следует отметить, что на неблагоприятных с точки зрения устойчивости участках массива, в обязательном порядке организуется, контроль его состояния различными методами.
В отечественной практике гидротехнического строительства значительное количество подводящих тоннелей также эксплуатируются без крепления. К особенностям эксплуатации таких тоннелей, наряду с общими требованиями к подземным выработкам, относится еше и то, что при потере устойчивости отдельных участков тоннеля и образовании вывалов из стен и кровли при эксплуатации тоннеля происходит водоперенос горной массы по тоннелю, которая попадая на лопатки турбин при-
водит к их поломкам и выходу из строя дорогостоящих агрегатов и аварийным ситуациям. В то же время, опыт эксплуатации подобных тоннелей с оценкой их фактического состояния в научно-технической литературе практически не освещен.
В соответствии с требованиями технической эксплуатации гидростанций в 2002 г. Горным институтом КНЦ РАН, совместно со специалистами ОАО «Колэнерго», было проведено обследование водонапорного тоннеля Верхне-Териберской ГЭС (север Кольского полуострова, Россия), находящегося в эксплуатации более 16 лет. Протяженность тоннеля 1410 м, сечение около 40 м2. Массив скальных пород, вмещающий водонапорный тоннель Верхне -Териберской ГЭС, представлен существенно микроклиновыми гранитами Балтийского щита с подчиненными гранодиоритами верхне-архейского возраста.
Как известно, устойчивость подземных выработок определяется целым рядом факторов. К числу основных из них относятся показатели состояния массива (физико-механические свойства пород и массива, действующие в массиве напряжения и трещиноватость пород в массиве), и параметры самих подземных сооружений (габариты сооружений, соотношения азимутов сооружений с простиранием тре-
щин в массиве и пр.). Определение этих характеристик являлось основой программы натурного обследования состояния водонапорного тоннеля. Исходя из современных представлений о формировании состояния массива во времени, 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.
Физико-механические свойства горных пород региона на сегодняшний день довольно хорошо изучены. Известно, что данный комплекс пород, в целом, обладает высокими упругими (коэффициент Пуассона и модуль упругости) и прочностными характеристиками (прочность на одноосное сжатие [стсж] достигает 250 МПа). Фактические свойства пород для конкретных условий Верхне-Териберского тоннеля, определены в лабораторных условиях на образцах, отобранных в тоннеле, полученные результаты подтвердили общие представления о свойствах пород данного района массива. Результаты определений представлены в таблице.
Примечание: в числителе стоит интервал изменения, в знаменателе - среднее значение, в скобках число испытаний.
Важной эксплуатационной характеристикой любой подземной выработки, определяющей уровень вертикальной составляющей поля напряжений в массиве, является глубина ее заложения от свободной поверхности. Для напорного тоннеля Верхне-Териберской ГЭС максимальная глубина заложения от свободной поверхности составляет 100 м. Тогда, оценочные величины максимальных напряжений в зонах концентраций
Таблица 1
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИССЛЕЛУЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОЛ
Наименование пород Плотность, р*10, кг/м3 Скорость продольных волн, Ур, км/с Скорость поперечный волн, Ув, км/с Модуль упругости, Е*104, МПа Коэфф. Пуассона, У Прочность при сжатии, Стсж, МПа
Микроклино-вый гранит 2.70 - 2.75 2.72 (10) 5.15 - 5.42 5.29 (10) 3.01 -3.26 3.15 (10) 6.2 -6.9 6.6 (10) 0.22 - 0.24 0.23 (10) 160 -247 192 (10)
\ |_60,:' У # // // 75*
V0' / / /'■
ПК 5 \ \\^ ПК 19
\ 62“
ПК 18+57
ПК 19+30
І І I • І І І І І І І I
+ + + + +------------¥----Т-----Т---Т-------Т--------+ + + +
Южная стенка тоннеля
приконтурной части выработки, можно определить как:
О = к -у ■ Н (1)
где к - коэффициент концентрации напряжений (к «г 2 3); у -
плотность пород (у = 2.70
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 [осж] в образце (таблица). Следовательно, можно предположить, что фактором напряженности
Рис. 1. Схема тоннеля со следами тектонических нарушений
Рис. 2. Схема измерительного полигона: | - реперы для сейсмоприемников, + - точки возбуждения сейсмических волн
Рис. 3. Томограмма скоростей сейсмических волн в массиве СР
Рис. 4. Гистограммы распределения скоростей сейсмических волн по результатам натурных измерений: а) продольных волн СР; б) поперечных волн Се
Рис. 5. Распределение значений свойств пород в массиве: а) коэффициент Пуассона; б) модуль упругости
пород при оценке устойчивости тоннеля 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.
Трасса тоннеля пересекает 9-
11 зон тектонической трещиноватости. Мощность этих зон по протяженности не превышает 1015%. Падение трещин в пределах этих зон составляет 75-800. 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 вывалообра-зования. План тоннеля со следами тектонических нарушений представлен на рис. 1.
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 18+72 оборудован стационарный измерительный полигон (рис. 2). На установленные в массиве реперы закреплялись
70.3%
25.0%
2.3% 1.6% 0.8%
-0.89 0.64 2.17 3.70 5.23 6.77
0.35
Рис. б. Гистограмма распределения показателя трещиноватости массива Ве
II кат. 2.4% ЦІ цат. 2.3W
IV кат. 25%
V кат. 70.3%
Рис. 7. Категорирование массива пород по трещиноватости: II - повышенно трещиноватые породы, Ш-1У - средне и слабо трещиноватые породы, V - сохранные породы
сейсмоприемники. Возбуждения сейсмических волн производилось ударным способом. Регистрация сейсмосигналов осуществлялась по каждому каналу в частотном диапазоне 768 гц 24-канальной сейсмостанцией МсБе1Б-160. Для получения скоростной томограммы на данном участке выполнено
12 ударных возбуждений. Решение прямой и обратной задач сейсмической томографии осуществлялось в рамках пакета программ для ПЭВМ «Р^ото». На рис. 3 приведена томограмма скоростей продольных волн для обследованного участка массива пород. Как видно из томограммы, мощность области обследования породы от контура выработки в глубь массива составила 5 метров при длине наблюдательного полигона 89.3 м. Диапазон скоростей продольных волн составляет 3.62-6.62 км/с. На рис. 4а и 4б представлены гистограммы распределения скоростей продольных Ср и поперечных волн С3. Полученные данные свидетельствуют о преобладании высокоскоростной составляющей в общем распределении скоростей упругих волн (в 70% случаев скорость Ср >
5.3 км/с), что согласно теории, свидетельствует о высокой консолидации массива пород. По соотношению скоростей Ср и С3 и известным выражениям [2, 3] оценивались свойства пород в массиве и категория трещиноватости пород. Последняя, определяется на основе разработанной классификации [3] и согласно акустическому критерию трещиноватости Ве С
Ве = (С0)2 -1 (2)
рі
где Ср0, Ср/ - скорости продольной сейсмической волны в отдельностях, слагающих массив и по І-тому направлению массива, соответственно.
На рис. 5 а, б приведены гистограммы распределения упругих характеристик массива - коэффициента Пуассона (а) и модуля упругости (б) по результатам натурных наблюдений в массиве. Средние значения этих характеристик (у = 0.26, Е = 6.06*104 МПа) близки или даже превышают эти показатели по сравнению со свойствами, полученными на образцах пород в лабораторных условиях (таблица). Высокие показатели упругих свойств в массиве обусловлены высокой сохранностью пород обследуемого участка. Низкими значениями упругих свойств обладают породы, находящиеся в зоне влияния тектонического нарушения (рис. 3) и в непосредственной близости к контуру выработки. Однако, мощность этих участков не превышает 0.4-0.6 м и опасности для устойчивости тоннеля не представляет.
В результате расчетов показателя трещиноватости массива Ве по выражению (2) при Ср0 = 5.44
км/с (рис. 4а), а также согласно классификации массива по трещиноватости [3], доля сохранных, монолитных пород V категории трещиноватости составляет 70 %, а доля повышенно-трещиноватых пород достигает лишь 2.4 % (рис. 6). Исходя из данных гистограммы рис.6, удобно построить круговую диаграмму, дающую общее представление о категориях трещиноватости пород массива Верхне-Терибер-ской ГЭС рис. 7.
Таким образом, полученные результаты натурного обследования напорного тоннеля, дают все основания сделать выводы о высоком запасе устойчивости массива пород на момент проведения обследования. Это обусловлено сохранением массивом высоких упругих и прочностных свойств пород практически на 80 - 90 % своей протяженности. В то же время, при возникновении отрицательной динамики в зонах тектонических нарушений со временем могут формироваться очаги вывалооб-разования из стен и кровли тоннеля. Для выявления этой динамики, наблюдения в тоннеле необходимо сделать режимными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Submarine Tunnel rafnes - herdva, Southrway, Reider Lien, Knut Garsh.L,NORWEGIAN HARD ROCK TUNNELING, PUBLICATION NO. 1. P. 77. 1982 r. (Aahen).
2. Савич A.H, Ященко З.Г. Исследование упругих и де-
формационных свойств горных пород сейсмоакустически -
ми методами. -М., Недра. 1979. 214 с.
3. Абрамов Н.Н. Использование метода сейсмической томографии при мониторинге подземных сооружений. Проблемы разработки месторождений подземных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. Материалы Международной научной конференции. Апатиты: изд. Кольского научного центра РАН, ч.3. с. 96-105.
KOPOTKO OБ ABTOPAX
Абрамов Н.Н. - ст. научный сотрудник, Горный институт КНЦ РАН, 184209, г. Апатиты, Россия.
Епимахов Ю.А. - доктор технических наук, зав. лабораторией, Горный институт КНЦ РАН.
Кабеев Е.В. - вед. технолог, Горный институт КНЦ РАН, 184209, г. Апатиты, Россия.
Антипов А.Г. - инженер гидротехник, зам. Главного инженера, ОАО "Колэнерго", г. Мурмаши, Мурманская обл.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
АБР_1
в:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\в1ЛВ4_03
С:\и8еге\Таня\ЛррБа1а\Коаті^\Місго80й\ШаблоньіШогта1Ло1т
УДК622
Абрамов
28.03.2003 10:12:00 10
26.10.2008 19:40:00 Таня
49 мин.
07.11.2008 23:54:00 3
1 700 (прибл.)
9 695 (прибл.)
