книги / Механика скальных грунтов и скальных массивов
..pdfгде [Р] - общая для N стержневых и M -N плоских элементов мат рица водопроницаемости размерностью LxL (L - число узлов ко нечно-элементной сетки); {Я} - вектор-столбец напоров в узлах размерностью Ixl; {Q} - вектор-столбец расходов в узлах размер ностью Lx 1.
На основании решения системы уравнений (10.16) находят зна чения неизвестных напоров и расходов для каждого узла сетки, со держащей стержневые и плоские элементы.
В качестве примера использования МКЭ для решения задач фильтрации рассмотрим построение круговой диаграммы коэффи циентов фильтрации для двух участков скального массива (рис. 10.4).
Результаты расчетов показали, что для схемы 1 (рис. 10.5, а) значения коэффициента фильтрации практически не зависят от направления, т.е. фильтрация в массиве при данной системе тре щин является практически изотропной. Совсем другая картина на блюдается во втором случае (рис. 10.5, б). Для схемы 2 была выявле на существенная анизотропия коэффициентов фильтрации массива (графически изменение значений к в зависимости от на правления на рисунке показано в виде эллипса).
Выше уже указывалось, что напряженное состояние массива су щественно влияет на фильтрационный поток в скальном массиве. Метод конечных элементов в этом смысле также имеет преимуще ства, поскольку путем решения совместной статико-фильтрацион ной задачи можно тщательно исследовать зависимость режима фильтрации от изменения напряжений в массиве (Бабаян, 1992).
Для определения коэффициента фильтрации в скальном масси ве в отдельных случаях используют метод тензоров (Ромм, 1966).
23
22
Рис. 10.4. Схемы к расчету направленных коэффициентов фильтрации (Семенов и др.р1989):
а - схема 1; б - схема 2 {1,2,3...- номера узлов)
Рис. 10.5. Диаграммы направленных коэффициентов фильтрации к, м/сут: а - схема 1; б - схема 2
Принимается, что распределение систем трещин в массиве позво ляет рассматривать его как квазиоднородную квазиизотропную среду. При этом ориентация трещин, их плотность и ширина рас крытия - постоянны в каждой системе. Однако в большинстве слу чаев эти условия находятся в противоречии с реальными, что рез ко ограничивает практическое применение метода.
Следует отметить, что все рассмотренные выше методы иссле дования фильтрации в скальных трещиноватых массивах исследу ют двухмерные случаи движения потока воды. Их нельзя механи чески переносить на трехмерный случай, поскольку пересечение плоскостей трещин представляет собой линию, вдоль которой гид равлические напоры также могут изменяться.
Кроме того, коэффициент фильтрации вдоль трещины, как было показано выше, в значительной мере зависит от ее протяженности, а точность ее определения на практике связана с большими трудно стями. Поэтому результаты расчетов носят предварительный ха рактер, и их необходимо постоянно проверять и уточнять посредст вом полевых исследований.
10.2*. Вследствие неравномерного распределения трещин и дру гих нарушений сплошности скального массива по объему, водопро ницаемость распределяется по объему также неравномерно. Поми мо этого на характер распределения водопроницаемости в скальном массиве существенное влияние оказывает изменение ширины рас крытия трещин.
* Параграф написан совместно с проф. Чернышевым С.Н.
По указанным причинам определение опытным путем водопро ницаемости скального массива - более сложный и трудоемкий про цесс по сравнению с определением этого параметра для дисперс ных (нескальных) грунтов и ненарушенных скальных грунтов.
В то же время водопроницаемость является одним из важнейших факторов, который должен учитываться при исследовании взаимо действия инженерных сооружений со скальным массивом. Как уже указывалось, фильтрация в скальном массиве происходит в основном через трещины и другие дефекты его строения. Наличие фильтраци онных потоков очень часто вызывает появление порового давления и противодавления, которые могут в значительной мере перераспреде лить природные напряжения массива и существенно повлиять на ус тойчивость наземных и подземных сооружений. Знание условий фильтрации также необходимо при проведении укрепительных и це ментационных работ участков массива, не обладающих достаточной прочностью и имеющих высокую водопроницаемость.
Для определения водопроницаемости скальных массивов, до ступных для гидравлических исследований, т.е. достаточно прони цаемых, применяют различные методы: откачки воды из скважин, наливов (заливания) воды в шурфы, нагнетания воды в скважины;
вотдельных случаях используют напорные галереи.
Вбольшинстве инженерных задач водопроницаемость скаль ных массивов характеризуется коэффициентом фильтрации, при этом массив рассматривается как проницаемая квазисплошная квазиоднородная среда.
Коэффициент фильтрации скального массива наиболее точно оценивается методом кустовой откачки. Он представляет собой сложный и дорогостоящий эксперимент, который заключается в следующем. В пределах опытной площадки бурится центральная скважина, из которой насосом откачивается вода, а также ряд на блюдательных скважин, с помощью которых следят за изменением уровня воды во время откачки. Наблюдательные скважины распо лагаются крестообразно, с пересечением в месте расположения центральной скважины (рис. 10.6). Это позволяет определять гид равлический уклон в ходе опыта на разных направлениях. Цент ральная скважина имеет обсадную трубу с фильтром и погружным насосом для откачки воды. Наблюдательные скважины также за креплены обсадными трубами, оборудованными фильтрами. Вода откачивается из центральной скважины, одновременно в наблюда тельных регистрируется понижение уровня водоносного горизонта.
Изменение уровня воды в скважинах измеряется электрически ми уровнемерами либо «хлопушками». Расход откачиваемой воды
|
|
|
|
|
|
Н4 |
скважина |
Н3 |
Н2 |
Я/ |
|
|||||
|
* Центральная |
Суглинок |
Щ |
|
|
1 |
|
|
|
щ |
|
Щ |
|
Щ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
, |
1 |
|
|||
|
скважина |
|
|
I |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
- Ц - |
|||||
П4 |
|
|
|
|
1 . |
|
|
1 |
|
|||||||
|
|
>х" |
| |
|
|
|
|
Н ' |
1 л и |
|
Л ч |
|
|
|||
• • • |
' М л - |
|
i |
Ч] I |
3 |
1 , 1 |
s T ~ S |
1_— |
1 , |
__L |
||||||
|
|
|
К § |
|
|
|||||||||||
|
|
|
I. |
1 |
1 |
, |
1 |
|
|
|
|
1 |
||||
|
|
|
X о |
|
|
1 |
1 |
|
_1_ |
|
|
|
|
|||
|
, 4 1 1 |
Извест |
трещи! пласт |
—|—г |
- T - U |
' - |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
"Я |
I |
1 |
Л |
|
|
\Уг |
|
|
|
|
|||
|
/ | |
8 |
|
|
I |
|
t |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_1_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
в |
о |
|
|
|
|
|
|
|
( 1 |
|
1 |
1 |
Г |
||
|
с; |
|
Глина, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
............. —■ - |
....................... |
|
- ............ — |
|||||||||||
|
VO |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
водоупор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разрез |
|
■ . . . х2 |
|
|
|
|
|
Рис. 10.6. Схема кустовой откачки из безнапорного водоносного пласта:
1 - статический уровень водоносного горизонта; 2 - динамический уровень водоносного горизонта при откачке воды из центральной скважины; Нь Н2, Н3, Н4 - наблюдательные скважины; Н - мощность водоносного горизонта; S - понижение уровня в центральной скважине; х,- - расстояние от центральной скважины до наблюдательных; у,- - уровень депрессионной кривой в наблюдательных скважинах по отношению к водоупорному пласту
массива
измеряется с помощью водомера, установленного на выходном патрубке погружного насоса, или с помощью мерного бака и секундомера.
Коэффициент фильтрации вычисляют при установившемся ре жиме подземного потока по формуле
, g ( l n s , - 1 п х г )
(10.16)
* ( 6 - у0 ’
где Q - расход воды через центральную скважину при откачке, м3/сут; х и у - см. рис. 10.6.
Наличие большого числа скважин, пробуренных по разным на правлениям, позволяет определить фильтрационную неоднород ность и анизотропию трещиноватого массива, так как расчеты про водятся для каждого луча куста и для каждой пары скважин.
При отсутствии возможности выполнения кустовой откачки ее проводят из одиночной скважины, без наблюдательных скважин. Тогда коэффициент фильтрации определяют по формуле
g ( ln J t - l n r )
(10.17)
~ JLS ( 2 H - S ) ’
где Q - расход воды через скважину при откачке; г - радиус сква жины; R - радиус влияния откачки; Я и S - см. рис. 10.6.
В процессе опыта откачки, как правило, проводят при двух трех понижениях уровня воды в центральной скважине. Продол жительность откачки при одном понижении определяется гидро геологическими условиями. Она может изменяться от нескольких часов до нескольких дней, а при породах с малой водопроницаемо стью - до нескольких недель и даже месяцев.
В практике гидротехнического и подземного строительства не однородность и анизотропию водопроницаемости массива обычно определяют во всей области его взаимодействия с сооружением. Не обходимо выявить трещиноватые зоны, по которым возможны зна чительные притоки к подземным сооружениям, либо потоки под плотиной и в ее обход. В зависимости от ситуации эти зоны подле жат или цементации, или осушению. Они требуют особого внимания при проектировании и строительстве любого сооружения. Поиск и оконтуривание таких зон невозможно осуществить кустовыми от качками, которые характеризуют общую водопроницаемость от дельных ключевых участков.
Для характеристики пространственной неоднородности и ани зотропии, а также относительной водопроницаемости трещинова тых массивов проводят наливы воды в шурфы и нагнетание воды в скважины.
Полевые исследования методом налива в шурфы проводят в не обводненных скальных массивах. В дне шурфа устраивается при ямок диаметром до 0,5 м и глубиной 0,3 м. Стенки приямка закреп ляются металлическим кольцом, после чего в него заливается вода (толщина слоя 0,1 м). В течение всего опыта уровень воды поддер живается постоянным и через каждые 10-30 мин с помощью водо мерной трубки (рис. 10.7) определяют расход воды, проникающей через дно шурфа. Опыт проводят до стабилизации расхода воды. Принимается, что площадь поперечного сечения потока фильтра ции равна площади обсадного кольца, а напорный градиент в усло виях свободно фильтрующейся через дно приямка воды близок к единице. При таких условиях коэффициент фильтрации можно оп ределить по закону Дарси, пользуясь формулой
k = Q 'F’ |
(10.18) |
где Q - объем профильтрованной воды; F - площадь кольца. Наливы воды в шурфы часто проводят одновременно с исследо
ваниями геометрии трещиноватости скального массива для состав ления схем трещин, используемых затем в методах линейных или конечных элементов.
|
При |
наличии |
грунтовых |
|
|
вод в трещиноватом скальном |
|||
|
массиве |
проводят |
нагнетание |
|
|
воды в скважины диаметром |
|||
|
110 мм по мере их углубления. |
|||
|
Углубление скважин осущ е |
|||
|
ствляется |
последовательным |
||
|
бурением |
участков (интерва |
||
|
лов) длиной 5-10 м. После про |
|||
|
хождения каждого интервала |
|||
|
он подвергается опробованию |
|||
|
нагнетанием. Для этого в сква |
|||
Рис. 10.7. Схема опытных наливов в шурфы: |
жине над забоем (дном) на вы |
|||
1- кольцо: 2 - водомерная трубка |
соте, равной длине интервала, |
|||
|
устанавливается |
тампон из |
прочного, эластичного и водонепроницаемого материала. Под там пон подается под давлением вода (рис. 10.8). Водопроницаемость скального массива в этом случае характеризуется удельным водопоглощением, которое подсчитывается по формуле
q = Q/(Hlt) |
(Ю.19) |
где Q - расход воды при нагнетании, л; Н - напор водяного столба, измеряемый по манометру, м; / - длина интервала скважины, м; t=30...120 мин - длительность наблюдения за поглощением воды.
В отечественной практике водопоглощение при нагнетании из меряется в л/мин на 1 м погонной длины скважины или на 1 м во дяного столба.
В международной практике при измерении водопоглощения скальных массивов используют способ, предложенный профессором М. Люжоном (Lugeon, 1933). При этом количество поглощаемой воды измеряется в единицах Люжона, которая соответствует расходу (л/мин), поглощенному 1 м скважины под давлением 1 МПа за 10 мин.
Между одной единицей Люжона и данными опыта по нагнета нию воды в 5-метровую скважину существует следующая корре ляция (Jumikis, 1983):
-1 единица Люжона соответствует q =5 л/мин при е= 0,1 мм;
-10 единиц Люжона соответствуют q =50 л/мин при е = 0,2 мм;
-100 единиц Люжона соответствуют q =500 л/мин при е = 0,5 мм (здесь е - ширина раскрытия трещины).
Порода, поглощающая менее одной единицы Люжона, считается практически водонепроницаемой. Она не подлежит цементации, и из
I |
II |
Как указывалось выше, для опре |
|
|
деления фильтрационных характе |
|
|
ристик скального массива в отдель |
|
|
ных случаях проводят испытания в |
|
|
напорных галереях. Однако, учиты |
|
|
вая высокую стоимость этих иссле |
|
|
дований, их проводят редко и стара |
|
|
ются, как правило, совместить с |
|
|
исследованиями деформационных |
|
|
характеристик (см. главу 9). |
Рис. 10.9. Изменение удельного водопоглощения по глубине скважины: /-зарисовка керна;
//-график изменения q
UfO_Q 200 400 6p0u
Отметка, м |
Отметка, м |
400
300
200
100
Рис. 10.10. Схема фильтрационной неоднородности интрузивного массива (силла)
восновании Усть-Илимской ГЭС:
А- участок русловой плотины; Б - участки береговых плотин; 1- внутренняя очень слабово допроницаемая часть силла, где трещины залечены кальцитом; 2 - зона повышенной водо проницаемости у контакта силла с вмещающими породами; 3 - зона высокой и неоднородной водопроницаемости, связанная с выветриванием массива у поверхности земли; 4 - зона очень высокой водопроницаемости, приуроченная к зоне повышенной трещиноватости
иразрывных нарушений
1.Раскройте понятия первичной и вторичной фильтрации. Каковы основные факторы влияния?
2.Приведите уравнения для вычисления расходов воды, протекающей по тре щине (тип Пуазейля и тип Блазиуса).
3.Какие основные уравнения и зависимости применяются для расчета фильт рации через сеть параллельных трещин?
4.Какие численные методы используют при расчетах фильтрации?
5.Изложите суть методов исследования водопроницаемости скальных масси вов, доступных для гидравлических исследований; приведите принципиальные схемы и основные закономерности.
Список литературы
1. Ананьев В.И., Потапов А.Д., Ин
женерная геология. М.: Высш. шк., 2000. 2. Бабаян А.Г. Конечно-элементная методикадля совместных расчетов филь трационного режима и статической рабо ты системы «бетонная плотина - скаль ное основание» // Гидротехн. стр-во.
1992. №4.
3. Баклашов И.В., Картозия Б.А.
Механические процессы в породных массивах. М.: Недра, 1986.
4. Бок X. Введение в механику гор ных пород. М.: Мир, 1983.
5. Бурлаков В.Н. Определение проч ностных параметров трещиноватых скаль ных пород методом сдвига бетонных штампов: Дис. канд. техн. наук. М.: Изд. МИСИ, 1974.
6. Бурлаков В.Н. Ухов С.Б. Влияние
дилатансии скальных породна сопротив ление сдвигающим нагрузкам // Гидро техн. стр.-во. 1990. №1.
7. Виттке В. Механика скальных по род. М.: Недра, 1990.
8. Газиев Э.Г. Устойчивость скаль ных массивов и методы их закрепления. М.: Стройиздат, 1977.
9. Газиев Э.Г., Левчук В. Изучение
поведения хрупких поликристаплических материалов в запредельном напряженнодеформированном состоянии // Матери алы XI Росс. конф. по механике горных по род. СПб., 1997.
10. Гидротехнические сооружения //
Под ред.Л.Н.Рассказова, М., 1996.
11. Гольдштейн М.Н., Гусев Б.В,
Пироговский Н.Н. и др. Исследование механических свойств трещиноватой скалы:Докл. на I Междунар. конгр. по ме ханике скальных пород(рус. Пер.). 1967.
12. Гудман Р. Механика горных по род. М.: Стройиздат, 1987.
13. Джегер Ч. Механика горных по роди инженерные сооружения. М.: Мир, 1975.
14. Динник А.Н. О давлении горных пород и расчете крепи круглой шахты // Инж. работник. 1925. №7.
15. Зеленский Б.Д. О методе учета влияния трещиноватости на деформаци онные свойства скальных массивов // Тр.Ленингр. инж.-эконом, инта.Л.: 1967.
16. Зенкевич О.С. Метод конечных элементовв технике. М.: Мир, 1975.
17. Зерцалов М.Г., Карнаухова Н.А., Толстиков В.В. Дилатансия трещи
новатых скальных массивов и ее учет в рамках МКЭ // Межвуз. сб. М.: 1989.
18. Зерцалов М.Г., Сакания Б.Э.
Численное моделирование нелинейного поведения трещиноватых скальных мас сивов при сжатии // Гидротехн. стр-во.
1997. № 3.
19. Кузнецов Д.С. Гидродинамика. М., 1951.
20. Курленя М.В., Леонтьев А.В.,
Попов С.Н. Развитие метода гидрораз рыва для исследования напряженного состояния массива горных пород// Фи зико-технические проблемы разработки