1. Метод естественного электрического поля

Метод естественного электрического поля (ЕП) начал применяться для исследования ГТС в СССР раньше других, еще в конце 60-х годов, позднее он стал использоваться и за рубежом.

В основе метода естественного электрического поля (ЕП) лежит возникновение электрических полей в местах фильтрации воды сквозь грунт. Производятся измерения возникающих потенциалов, возникающих при этом между заземленными электродами. Аномалии связаны с участками фильтрации воды через плотину или дно водохранилища, их величина характеризует интенсивность процесса.

За рубежом достаточно широко используется для рассматриваемых целей метод постоянного тока. Он основан на создании постоянного электрического поля с помощью питающих электродов и измерении разности потенциалов с помощью приемных электродов. По результатам исследований можно восстановить распределение удельного электрического сопротивления (УЭС) в среде. Аномалии УЭС связаны с изменением состава грунтов и водонасыщенности. Таким образом, появляется возможность выделять неоднородности и депрессионную поверхность. Однако вследствие наложения этих двух факторов однозначность геологического истолкования результатов понижается. Впрочем, в благоприятных условиях положение депрессионной поверхности и других, контрастных по УЭС границ составляет порядка 10 % от глубины их залегания. Повторные наблюдения (мониторинг) способны повысить качество истолкования результатов и позволяют контролировать состояние ГТС.

Применения методов инженерной сейсморазведки

Важную группу при решении рассматриваемых задач играют модификации инженерной сейсморазведки, большой вклад в развитие которых внесли геофизики института «Гидропроект» (Москва). Особенностями данного направления являются:

1. В число задач, решаемых методами инженерной сейсморазведки, входит:

• определение количественных характеристик физико-механических свойств массива на разных масштаб­ных уровнях;

• оценка состояния пород в массиве: степени их трещиноватости, выветрелости, напряженного состояния, неоднородности, анизот­ропности и обводненности;

• прогноз возможных изменений свойств и состояния массивов под воздействием природных и техноген­ных факторов.

2. В части методики исследований и интерпретации и анализа получаемых данных:

• использование различных геофизических технологий, а также разномасштабных геофизических исследова­ний;

• тесное сочетание наблюдений на дневной поверхно­сти и во внутренних точках среды (в скважинах, шах­тах, штольнях) и совместная обработка полученных данных;

• комплексирование геофизических исследований с другими методами изучения геологической среды: ин­женерно-геологическими, геомеханическими и др.; заверка геофизических результатов данными других видов изучения геологической среды: бурением, про­ходкой горных выработок, инженерно-геологичес­кими и геомеханическими исследованиями.

Комплексный подход к использованию методов сейсморазведки и электроразведки

Техническое состояние земляных плотин изучается методами сейсморазведки и электроразведки для определения положения и формы депрессионной поверхности, выделения неоднородностей в теле плотины и оценки ее суффозионной устойчивости. Если плотина сложена сравнительно одно­родным песчано-галечниковым и суглини­стым материалом, отношение скоростей продольных волн в зоне аэрации V_Pa и в зоне полного насыщения V_Pв изменяется в пределах 1,5-7,5, соответственно отноше­ние кажущихся электрических сопротивле­ний _Ka/_Kв = 4-10 и кажущихся поляризуемостей _Ka/_Kв = 2-4. Депрессионная по­верхность является контрастной сейсмиче­ской и электрической границей и может быть с достаточной для практических целей точностью определена классическим способами - по данным сейсмо­разведки МПВ и электроразведки метода­ми ВЭЗ или ВЭЗ-ВП.

Наблюдения выполняются по профилям, проложенным вдоль плотины. При неглубо­ком (до 10 - 15 м) залегании депрессион­ной поверхности работы проводятся с по­мощью портативных одноканальных сей­смических станций с ударным возбуждени­ем и специальных установок микроэлектрозондирований (МВЭЗ). Сейсми­ческие наблюдения проводятся непрерывно с шагом 2 - 5 м по профилю, а электриче­ские зондирования располагаются через 20 - 25 м. Расстояния между профилями со­ставляют 25 - 50 м; при необходимости сеть наблюдений может быть сгущена. Для определения положения кривой депрессии в зависимости от изменения уровня водохра­нилища проводятся режимные наблюдения с интервалом 1 - 3 месяца. По данным ин­терпретации материалов строятся карты глубин до уровня грунтовых вод или соот­ветствующие разрезы.

Качественную характеристику простран­ственной формы фильтрационного потока можно получить на основании детальной съемки потенциала естественного поля (ЕП), выполняемой на всей поверхности плотины по сети парал­лельных профилей, отстоящих друг от дру­га на 10 - 25 м и с шагом наблюдений 1 - 5 м. В условиях квазиоднородных грунтов карты равных потенциалов отображают карту гидроизогипс. Результаты метода естественного поля можно использовать для интерполяции данных о положении УГВ, полученных по пьезометрам. Карты естественного поля могут быть ис­пользованы также для оконтуривания литологических неоднородностей в теле плотины по локальным аномалиям, знак которых определяется характером неодно­родности (положительные аномалии при на­личии глинистых линз и отрицательные - в случае скопления грубообломочного ма­териала). Изменение площадей и амплитуд отрицательных аномалий во времени дает возможность оценивать динамику суффозионного процесса. Режимные наблюдения методом ЕП позволяют прогнозировать не­благоприятные последствия суффозии (про­садки, образование воронок на откосах плотины) задолго до их проявления.

Техническое состояние и эффективность дренажных сооружений изучается метода­ми электроразведки и сейсморазведки. Методика ис­следований аналогична методике определе­ния депрессионной поверхности в теле пло­тины. Качественная характеристика особен­ностей работы дренажа и размеры зоны водопонижения могут быть определены в результате детальной съемки потенциалов ЕП. Для количественных оценок глубины водопонижения используются данные детальных сейсмических наблюдений МПВ и электро­разведки (ВЭЗ и ВЭЗ-ВП).

Проведение вертикального дренажа пу­тем откачек из одной или нескольких скважин создает на земной поверхности поло­жительную аномалию ЕП, площадь кото­рой соответствует площади депрессионной воронки. Максимумы потенциалов наблю­даются непосредственно вблизи скважин и соответствуют местам наибольшего водо­понижения. Границы потенциала ЕП пред­ставляют собой как бы зеркальное отраже­ние поверхности воронки. В благоприят­ных геоэлектрических условиях радиус г депрессионной воронки, создаваемой дре­нажем, оценивается по формуле r = x_Umax – x_UN, где x_Umax – координата максимума потенциала, x_UN - координата об­ласти нормальных значений потенциала вдоль измеряемого профиля.

При горизонтальном дренаже характер наблюдаемых аномалий электрофильтрационного поля связан с интенсивностью водопритоков к дренажу и с особенностя­ми движения воды по самой дрене. Су­щественное значение имеет конструкция дренажа, наличие или отсутствие фильтра, его состав и степень засоренности. Если напряженность электрофильтрационного поля максимальна в направлении, перпендикулярном к дрене, а вдоль ее оси значе­ния измеряемых потенциалов не меняются (U = const), то при постоянной интенсив­ности водопритоков по площади изолинии потенциала вытягиваются вдоль дренажа dU/dx=0. Если напряженности электрофильтрационных полей, создаваемых водопритоками к дрене и самой дреной, соизмеримы, изолинии потенциала ориентиру­ются таким образом, что в направлении водоотвода наблюдаются максимальные градиенты. Нарушение приведенного распределения электрофильтрационного поля дает возможность оценивать техническое состояние дренажа.

Наблюдения осуществляются по системе профилей, расположенных при изучении вертикального дренажа лучеобразно по от­ношению к откачиваемой скважине, а при изучении горизонтального дренажа - па­раллельно его оси. Положение неподвиж­ного электрода выбирается по данным ре­когносцировочных замеров в области нор­мального поля. Глубина исследований ме­тодом ЕП не превышает 3 - 5 м; в усло­виях относительной однородности пород на участке дренирования объективная ин­формация может быть получена для соору­жений расположенных на глубинах 15-20 м.

Применение индукционных зондирований при обследовании плотин

Метод индукционных зондирований основан на возбуждении и регистрации электромагнитного поля, меняющегося с определенной частотой, с помощью многовитковых рамок. В результате таких работ можно определить распределение удельного электрического сопротивления в разрезе.

При этом решаются следующие задачи:

• определение положения и формы депрессионной поверхности,

• выделение неоднородностей в теле плотины, зон разуплотнения грунтов, подмыва и дренажа,

• оценка суффозионной устойчивости,

• контроль качества цементации плотины, после ремонта.

Наряду с другими геофизическими методами, метод индукционных зондирований применяется компанией «Дубль-Гео» (Екатеринбург) для обследования гидротехнических сооружений (плотин и дамб водохранилищ, накопителей промышленных отходов).

Обследование плотин с помощью метода георадиолокации

Метод георадиолокации основан на явлении отражения электромагнитных волн от границ неоднородностей в изучаемой среде, на которых скачкообразно изменяются электрические свойства - электропроводность и диэлектрическая проницаемость.

Основной величиной, измеряемой при георадарных исследованиях, является время пробега электромагнитной волны от источника до отражающей границы и обратно до приёмника. Поскольку скорость распространения электромагнитной волны в разных материалах различна, то, измеряя времена пробега волн, и зная основные физические свойства пород в изучаемой среде, можно судить о строении объекта.

Основной целью метода является определение положения границ или локальных объектов в изучаемых отложениях. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между породой и материалом искусственного происхождения, между сухими и влагонасыщенными грунтами, контакты между породами различного литологического состава, между коренными и рыхлыми породами и т. д.

Методы и аппаратура, применяемые за рубежом при мониторинге состояния гидротехнических сооружений с помощью геофизических методов

За рубежом для изучения состояния гидротехнических сооружений и его изменений используется примерно тот же набор геофизических методов, что и в России: метод естественного электрического поля, методы использующие искусственные постоянные электрические или переменные электромагнитные поля, метод георадиолокации, сейсморазведка методами преломленных и отраженных волн и др.

Наиболее широко используются методы постоянного электрического поля, причем обычно используется установка из большого числа электродов, служащих для создания или измерения поля. Методика и результаты таких работ в основном и рассматриваются ниже. Также интерес представляет технология проведения зондирований, основанная на явлении становления электромагнитного поля.

Бетонные плотины на скальном и нескальном основании

Классификация плотин.

Бетонные и железобетонные плотины классифицируются по следующим признакам:

По технологическому назначению – глухие и водосбросные.

По конструкции – гравитационные, арочные и контрфорснык;

На скальных основаниях возводятся глухие и водосбросные бетонные и железобетонные плотины, на нескальных – обычно водосбросные.

Достоинства бетонных плотин:

• значительные темпы возведения при высокой механизации:

Красноярская – 1.359 млн. м³ /год бетона;

Братская – 1.239 млн. м³ /год бетона;

С –Шушенская – 1.0 млн. м³ /год бетона;

Гранд Диксанс – 1.0 млн. м³ бетона за 6 мес,

следовательно, по сравнению с грунтовой плотиной, существенно меньше затраты на транспорт и расход горюче-смазочных материалов;

• упрощен пропуск строительных расходов;

• проще конструкция эксплуатационных водосбросов (в теле плотины), водоводов ГЭС;

• более высокая надежность при переливе через гребень.

Количество аварий бетонных плотин по отношению к грунтовым меньше в 2.4 раза.

Хорошие створы со скальным основанием, по крайней мере, в нашей стране, уже практически выбраны. За последние 40 лет в мире доля бетонных плотин снизилась с 40 до 10%, однако при высоте более 100 м предпочтение отдается бетонным плотинам.

Для предварительных оценок вводится коэффициент эффективности использования материала: К_эф = V_б/Е,

где V_б – объем бетона плотины, м³; Е – равнодействующая гидростатического давления, МН. (для гравитационных и массивно-контрфорсных плотин К_эф =76-84; для многоарочных – 46; для арочных 18-38; для арочно – гравитационных – 52).

Важным параметром является коэффициент врезки: К_вр = V_ск/V_б,

где V_ск – объем врезки в скалу (для гравитационных и контрфорсных плотин К_вр =0.16 – 0.34; для арочных 0.25 – 1.0, до 1.29, плотина Кабира Баса, Мозамбик). В настоящее время объем врезок снижается в целях экономии бетона, предпочтение отдается укреплению основаниия.

Для характеристики плотин используется также коэффициент стройности β = b/h_пл, где b – ширина подошвы; h_пл - максимальная высота плотины и коэффициент створа К _ств = L / h_пл,, где L – длина плотины по гребню, для арочной плотины – длина хорды L_х.

Характеристики некоторых плотин на скальных основаниях

Плотина	Страна	Год окончания стр-ва	Природные условия района строительства			Основные показатели плотины
			Сред-него-довая t0, С	Сейс-мич-ность балл	Породы основания	Н, м	Кэф Vб/Е		Квр Vск/Vб
Гравитационные
Усть- Каменогорская	СССР	1953	-	нет	габрро	65	-		0.68
Братская	СССР	1963	-2.6	нет	диабазы	125	76		0.16
Мамаканская	СССР	1963	-	нет	сланцы	58	-		0.35
Бухтарминская	СССР	1966	-	нет	габбро	90	-		0.36
Красноярская	СССР	1970	-0.9	нет	граниты	124	84		0.30
Усть-Илимская	СССР	1976	-3.9	нет	диабазы	105	77		0.14
Токтогульская	СССР	1976	-	9	известняк	215	-		0.006
Курпсайская	СССР	Строй	+12.8	9	арггиллит, песчаники	113	84		0.46
Бхакро	Индия	1964	+26.5	9	базальты, песчаники	226	83		-
Альпа-Джера	Италия	1964	+7.8	7	гнейсы	178	76		-
Наглу	Афганистан	1967	-	-	гнейсы	104	-		0.71
Сарранс	Франция	1970	-	-	гнейсы	113	-		0.44
Либби	США	1972	+7.0	8	граниты	132	80		1.33
Дворжак	США	1973	+10.0	8.5	андезиты	219	82		0.27
Кебан	Турция	1973	-	-	известняк	149	-		1.36
Пайн-Флет	США	1974	-	-	амфибол.	134	-		0.38
Гранд Диксанс	Швейцария		-			284	-
Массивно-контрфорсная
Итайпу	Бразилия		-			196
Многоарочная
Даниель – Джонсон	Канада		-			215
Арочная
Ингурская	Грузия		-			271.5

Гравитационные плотины.

Гравитационные плотины - массивные сооружения треугольного профиля, масса которых обеспечивает его устойчивость при воздействии всех приложенных к нему сил. Очертания профиля определяются из условия устойчивости на сдвиг, прочности и минимального объема..

1 – с вертикальной верховой гранью; удобный в производстве работ;

2 - с наклонной верховой гранью; производство работ несколько затруднено, но обладает повышенной устойчивостью за счет вертикальной составляющей гидростатического давления; увеличиваются сжимающие напряжения в точке Б.

3 – с частично наклонной (в нижней части) верховой гранью; сейсмостойки за счет низко расположенного центра тяжести, в остальном - см п .3; h= (0.15…0.4)h_пл.

4 – с обратным уклоном части верховой грани; снимаются растягивающие напряжения в точке Б; h ≤ 0.4 h_пл.

5 – с переменным заложением низовой грани; имеет минимальный объем бетона.

6 – с наклонной верховой гранью и переменным заложением низовой грани; в остальном см. п.п. 2 и 5.

7 – с уменьшенным заложением низовой грани; обеспечивается устойчивость и прочность в нижней части плотины; за счет площадки у низовой грани уменьшается заложение низовой грани; площадка используется для проезда к зданию ГЭС (Братская, Усть-Илимская).

8 – с обратным уклоном верховой грани; снимаются растягивающие напряжения в точке Б, повышается сжатие.

Контрфорсные плотины.

Основные элементы контрфорсных плотин: напорные перекрытия, перекрывающие водоток и воспринимающие нагрузки со стороны верхнего бьефа (давление воды, наносов и др.), и вертикальные ребра – контрфорсы, на которые опираются перекрытия, передающие усилия на основание.

Достоинствами этого типа плотин является:

- меньший объем бетона;

- меньшее противодавление в основании;

- более равномерное распределение напряжений в основании из-за пригрузки со стороны верхнего бьефа;

- хороши в суровых климатических условиях, так как в эксплуатационный период – наличие замкнутых полостей лучше для термонапряженного состояния, а в строительный период – лучше условия охлаждения бетона.

Недостатками является:

• усложнение производства работ;

• увеличение площади опалубки в 2-3 раза;

• труднее применение прогрессивных технологий;

• требуется больше арматуры и более высокий класс бетона.

Основные типы контрфорсных плотин:

массивно-контрфорсные, это наиболее распространенный тип контрфорсных плотин. В них объем бетона по сравнению с гравитационными меньше на 20-40%.Высота построенных плотин колеблется от 30 до 196 м.; Итайпу (Бразилия) – 196м, Кировская (на границе Казахстана и Киргизии) – 83м, Андижанская (со сдвоенными контрфорсами, Узбекистан) – 116м, Зейская – 111м..

Напорной гранью массивно-контрфорсных плотин являются оголовки различной формы:

• плоские; они легки в строительстве, но на консолях, опирающихся на оголовки, возникают растягивающие напряжения;

• плоские с вырезами; растягивающих напряжений нет за счет действия гидростатического давления со всех сторон оголовка;

• полигональные или криволинейные; растягивающие напряжения отсутствуют, но существенно усложняется производство работ из0за криволинейности опалубки;

• парные оголовки; расход бетона снижается до 8%.

Противофильтрационные мероприятия осуществляются путем дренирования основания, особенно при опасности промерзания (Зейская плотина); иногда устраивается гидроизоляция напорной грани.

Швы контрфорсных плотин различают конструктивные и строительные.

Конструктивные швы устраиваются между оголовками и имеют различного вида уплотнения.

с плоскими перекрытиями, разрезные; неразрезные (при наличии фундаментной плиты); толщина плиты перекрытия – 0,8 – 1,0м; консольные выступы проектируются шириной 0,1 – 0,5 толщины плиты; швы напорных перекрытий имеют штрабы различного вида с внутренними и наружными уплотнениями.

многоарочные:

Многоарочные плотины на скальном основании.

Плотины такого типа строятся высотой 20 – 200м (Даниэль Джонсон, Канада – 214м. Рассматривались варианты Саяно-Шушенской 200м, Зейской – 111м).

Этот тип плотин позволяет достигнуть экономии бетона до 60%,снизить стоимость на 20%, а в низких плотинах до 40%, но при этом следует отметить, что количество арматуры существенно возрастает по сравнению с массивно-контрфорсными.

Пролеты между тонкими контрфорсами 15 –20м, а в плотинах с толстыми контрфорсами 20 –50м. Угол наклона напорной грани от 40-65⁰ до 90⁰. Толщина железобетонных арок вверху 1.7 –2.0и; толщина контрфорсов вверху 1.5-2.0 толщины арок.

Многоарочные плотины на нескальном основании.

Арочные плотины.

Арочные плотины – это криволинейные в плане бетонные плотины, устойчивость которых против сдвига обеспечивается собственным весом и распором, который передается в глубь берегов.