Механика скальных грунтов и скальных массивов

ют значения напряжений, направление которых соответствует ради­ альному направлению деформаций разгрузки. Следует отметить, что при использовании как статического, так и сейсмоакустического ме­ тода необходимо учитывать масштабный фактор. Полученные при этом результаты могут существенно различаться, так как во втором случае исследуется гораздо больший объем скального массива, раз­ грузка породы происходит в окрестностях выработки. При статичес­ ком методе исследований разгрузка породы осуществляется в преде­ лах скважины, при этом на результаты испытаний влияют даже самые мелкие неоднородности структуры массива.

Проблему масштабного фактора в известной мере можно ре­ шить, используя метод гидроразрыва скважины (Курленя и др., 1994). Этот метод позволяет исследовать объемы скальных масси­ вов, размеры которых могут изменяться от долей метра до несколь­ ких десятков метров. Он эффективен при детальном изучении по­ лей напряжений в областях массива, подверженных влиянию подземных и наземных инженерных сооружений. В то же время этот метод, один из немногих, можно использовать для определения природного напряженного состояния пород на большой глубине.

Метод гидроразрыва относится к статическим методам исследо­ вания природного напряженного состояния скальных массивов. Суть его заключается в следующем. Участок скважины перекрыва­ ется с двух сторон водонепроницаемыми тампонами и подвергается нагружению путем нагнетания в образовавшееся пространство жидкости до достижения предельных растягивающих напряжений в стенках скважины, приводящих к разрыву прилегающих пород. Значения предельных напряжений в этом случае зависят не только от прочности породы, но и от уровня действующих природных на­ пряжений. Благодаря возможности проведения повторных нагру­ жений и управления режимом нагнетания можно устанавливать характерные значения давлений в скважине, которые затем по оп­ ределенной методике пересчитываются в компоненты природных напряжений, действующих в исследуемой области.

Метод гидроразрыва существенно расширяет рамки экспери­ ментального изучения природных напряжений. В то же время сле­ дует отметить, что для получения наиболее достоверных результа­ тов необходимо стремиться к комплексному использованию всех рассмотренных выше методов исследований природного напря­ женного состояния скальных массивов.

1.Укажите факторы, влияющие на способность скального массива деформиро­ ваться при приложении нагрузки.

2.На какие группы можно подразделить методы определения деформацион­ ных свойств скального массива в полевых условиях?

3.Опишите методы статического определения показателей деформируемости скальных массивов в полевых условиях.

4.Расскажите о методах определения прочностных характеристик скальных массивов (суть методов, принципиальные схемы, основные закономерности).

5.В чем заключается сущность определения деформационных характеристик скального массива динамическим методом? Как коррелируются между собой статические и динамические характеристики?

6.Как определяют природное напряженное состояние с помощью гипотезы Гейма и метода, предложенного Динником?

7.Перечислите факторы, влияющие на формирование природного напряжен­ ного состояния.

8.Какие методы для определения природное напряженного состояния приме­ няют в отечественной практике? Какова сущность методов разгрузки, ком­ пенсации, гидроразрыва?

ГЛАВА 10 Фильтрация в скальных массивах

10.1. Как отмечалось в главе 3, фильтрация в скальных массивах относится ко вторичной фильтрации, т.е. к случаю, когда движение воды в основном происходит через трещины и нарушения сплош­ ности в массиве. Исследования показали, что основным фактором, влияющим на вторичную фильтрацию, является величина раскры­ тия трещин, которая, в свою очередь, существенно зависит от на­ пряжений, действующих в массиве. Благодаря этому на большой глубине, где высокое давление приводит к практически полному закрытию всех трещин, может наблюдаться только первичная фильтрация.

В табл. 10.1 приведены пределы изменения коэффициентов пер­ вичной и вторичной фильтрации для разных скальных грунтов - как ненарушенных, так и имеющих различную степень трещино­ ватости и пустотности. Можно отметить значительный разброс значений этих коэффициентов: для ненарушенных скальных грун­ тов (первичная фильтрация) он составляет восемь порядков, для нарушенных (вторичная фильтрация) - одиннадцать порядков.

Теория фильтрации в трещиноватых скальных массивах осно­ вана на исследованиях течения потока между двумя параллельны­ ми гладкими поверхностями. При этом расстояние между ними принимается равным усредненному расстоянию между шерохова­ тыми стенками трещины. Учет шероховатости возможен по мето­ дикам, предложенным, например, в работах (Ломизе,1951) и (Louis, 1968). Однако, как показывают исследования (Черны­ шев, 1983), вклад шероховатости в общую ошибку при расчетах ко­ эффициента фильтрации для реальных массивов очень мал по сравнению с погрешностями, связанными, например, с определе­ нием ширины трещины и учетом влияния заполнителя. На основа­ нии этого влиянием шероховатости трещин можно пренебречь.

Для расчета расхода воды, протекающей по трещине, обычно используют следующие уравнения.

Таблица 10.1

ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРВИЧНОЙ И ВТОРИЧНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В НЕНАРУШЕННЫХ ПОРОДАХ И СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ

(Isherwood, 1979)

При ламинарном движении - поток типа Пуазейля (Кузнецов,

1951): з

при турбулентном движении - поток типа Блазиуса (Джегер,

Здесь q - расход воды в трещине; g - ускорение силы тяжести; TJ - кинематическая вязкость; е - ширина раскрытия трещины; / = АН /L - гидравлический градиент потока; АН - потери напора по трещине; L - длина трещины в направлении потока.

В приведенных уравнениях рассматривается поток, ширина ко­ торого равна единице, т.е. удельный расход жидкости.

Как следует из уравнений, расход жидкости вдоль трещины пропорционален ширине ее раскрытия (в кубе). Иными словами, расход «чувствителен» к самым малым изменениям раскрытия трещины. Например, увеличение раскрытия вдвое приводит к рос­ ту удельного расхода в 8 раз. Таким образом, влияние вторичной фильтрации является доминирующим при анализе движения грунтовых вод в скальном массиве.

В работе (Hoek, Bray, 1977) использовано уравнение (10.1) для расчета расхода жидкости через сеть параллельных трещин. При

TJ - кинематическая вязкость (для воды rj = 1,0 •10*6 м2/с). Среднюю скорость потока по трещине можно найти из уравне­

ния (Кузнецов, 1951)

откуда выражение для определения коэффициента фильтрации при прохождении потока по трещине можно записать в виде

с12ц

где \ = \/d - частота трещин (число трещин, приходящееся на единицу длины); d - расстояние между трещинами в системе.

Характер изменения коэффициента фильтрации в зависимости от изменения раскрытия трещин и их частоты иллюстрирует рис. 10.1.

Приведенный выше расчет фильтрации по трещинам выполнен на основе метода линейных элементов, который позволяет опреде­ лять удельный расход, скорость фильтрации, а также напор в тре­ щиноватом скальном массиве.

В исследованиях фильтрации наряду с указанным методом ли­ нейных элементов все чаще применяют метод конечных элементов (МКЭ), который широко используют при решении различных ин­ женерных и физических задач (Chernyshev, Dearman, 1991). Пре­ имущество МКЭ заключается в том, что он позволяет исследовать совместную задачу фильтрации как по трещинам, так и по скаль­ ным блокам. При этом исследуемая область, которая разбивается на конечные элементы, представляет собой сетку. Элементы сетки соединены друг с другом в угловых точках - узлах. Трещины моде­ лируются одномерными элементами, а выделяемые трещинами скальные отдельности - плоскими. Если водопроницаемость скаль­ ных отдельностей сопоставима с проницаемостью трещин, скаль­ ные отдельности также могут быть включены в расчетную схему в виде плоских треугольных или четырехугольных фильтрующих элементов.

Решение задачи сводится к отысканию неизвестной напорной функции Н (х, у), удовлетворяющей дифференциальному уравне­ нию стационарной фильтрации - уравнению Лапласа (Рассказов и др., 1996) при следующих возможных граничных условиях:

где Hj - напор в граничном узле /; Qj - расход в граничном узле j. В пределах элементов распределение напора принимается ли­

где а „ а 2, а3 - постоянные коэффициенты.

Решение сводится к решению системы линейных алгебраичес­ ких уравнений, которая выводится обычным для МКЭ способом (Зенкевич, 1975) и имеет в матричной записи следующий вид: