Роль воды в скальных основаниях

Природный режим подзем­ных вод в зоне плотины и водохранилища резко изменяется: про­исходит подъем их уровня в берегах в верхнем бьефе, вследствие чего ранее сухие породы насыщаются водой и свойства их могут изменяться; возникает фильтрация вод под плотиной и в обход ее в берегах; сооружение и берега подвергаются усилиям от фильтра­ционного давления воды, движущейся по трещинам пород; запол­няющий трещины материал может вымываться и выноситься в нижней бьеф.

Проникая в трещины даже самых малых размеров (микротре­щины), вода производит расклинивающее действие, расширяя их и тем уменьшая прочность породы и повышая их деформативность. Известно, что предел прочности на сжатие и модуль деформации насыщенных водой пород (осадочных) меньше, чем сухих, на де­сятки процентов и даже до 50% (рис. 10.6).

Сопротивление скальных оснований сдвигу также зависит от степени трещиноватости и насыщения водой их, характеризуемой М. Роша величиной i, равной отношению массы воды, испарившей­ся из породы, к массе сухой породы (рис. 10.6, в).

 Рис. 10.6   Влияние  воды,  насыщающей скальное основание (кривая деформации сжатия породы по натурным исследова­ниям):
а - в  сухом  состоянии;   б - после  насыщения
водой;  в - зависимость   показателя   сдвига   i(по Роша)

Следует отметить, что расклинивающее действие воды в микротрещинах развивается и сказывается постепенно, иногда годами, по мере расширения трещин и появления новых. Этим объясняются, например, факты, когда плотина благополучно работает ряд лет и лишь потом наступает разрушение основания, а с ним и плоти­ны. Примером является авария плотины Мальпасе во Франции (1959).

К расклинивающему   действию   воды при   ее фильтрации по трещинам присоединяется еще ее физико-химическое действие на стенки трещин, вызывающее, например,    растворение    минералов (гипс,      ангидрит,      каменная соль),   или   другие   процессы,  особенно, если вода агрессив­на. Унос растворенного и раз­мытого фильтрующейся водой материала (суффозия) расши­ряет трещины, вызывает новые процессы распада породы, сни­жая ее прочность.

В тех случаях, когда связу­ющим материалом в породах является глина (конгломераты, слабые песчаники), размокание глины, ведет к потере связности пород и потере ими проч­ности. Такова природа разру­шения плотины Сан-Френсис (красные конгломераты) в 1928 г., плотины Бузей в 1895 г.

В основаниях, сложенных сланцами, опоками, аргиллита­ми и другими аналогичными полускальными породами, на­блюдаются быстрые разруше­ния их с поверхности после уда­ления вышележащих пород. В этом процессе также кроме дру­гих факторов существенную роль играет изменение естест­венной влажности пород.

Фильтрация воды в скальных основаниях оказывает на подошву сооружения фильтрационное противодавление, а также гидродина­мическое давление на породы основания через трещины. Располо­жение последних, в частности пластовых, в массиве основания очень важно.

Так, при горизонтальном или слабонаклоненных водопроводящих слоях (или трещинах) (2 - на рис. 10.7, а) фильтрационное давление в них может вызвать выпор (поднятие) мало проницае­мого для воды прикрывающего слоя 1, благодаря большому пьезо­метрическому давлению в слое 2 (пьезометр 3). Аналогичное может произойти и в случае на рис. 10.7,б, но это менее вероятно, зато здесь возрастает опасность суффозии заполняющих трещины рыхлых материалов. Случай в (рис. 10.7) не опасен в этом отношении, но фильтрационное противодавление резко возрастает.

Геологические и геомеханические исследования оснований. Для составления проекта гидроузла, плотины необходимы достаточные данные о геологическом строении района створа с показателями геомеханических свойств пород и их комплекса. Эти данные полу­чают в результате исследований, проводимых геологами (точнее инженерами-геологами) и проектировщиками-гидротехниками со­вместно.

В эти данные входят:

1) инженерно-геологическая карта района сооружений, получаемая с помощью геологической съемки, с гео­логическими разрезами и профилями по различным направлениям.

 Рис. 10.7 Действия фильтрации воды на плотину по трещинам и пластам в раз­ных случаях их расположения

Эти материалы освещают состав пород створа плотины, последо­вательность их напластования, залегания, мощности их и литологического состава, а также тектонические явления, трещиноватость пород, блочность   и др.;

2) показатели    геомеханических  свойств пород и их массивов, образующих основание сооружения (в насы­щенном и сухом состоянии): удельный вес; предел прочности поро­ды на сжатие и модуль упругости в «куске» и модуль деформации в массиве (путем лабораторных и полевых опытов со штампами) в сухом и насыщенном водой состоянии; параметры сдвига f и с в полевых опытах со сдвигом бетонных штампов и сдвигом целиков массива; коэффициент Пуассона. Исследования параметров сдвига, должны производиться с учетом слоистости пород, наклона слоев, трещиноватости   и  других  особенностей   основания;

3)   сведения - о гидрогеологическом   режиме района    створа - данные  опытных откачек и нагнетаний (в сухих породах), коэффициенты фильтрации, данные о динамике подземных вод, их режиме, гидрохимические данные;

4) сведения о физико-геологических явлениях в районе: створа - сейсмичности, в частности  о современных тектонических; движениях, данные о сейсмическом микрорайонировании,   данные об  оползневых   явлениях,    осыпях,   карсте   (желательно   со  ста­ционарными наблюдениями);

5) сведения о породах района, при­годных в качестве строительных материалов для сооружения, с по­казаниями их запасов, качества и т. п.; 6) результаты опытно-строи­тельных исследований  (например, опытные    взрывы,   разработки,: крупномасштабные опыты по сдвигу, сейсмостойкости и др.).

Перечисленные исследования характерны для стадии техниче­ского проекта и рабочих чертежей, для крупных объектов строи­тельства. Для начальных этапов проектирования, для проектирова­ния менее крупных и ответственных сооружений перечень исследо­ваний, их масштаб может быть сокращен.