Инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта гидротехнических сооружений

Помимо инженерно-геологической съемки, проводят геофизические исследования. Их выполняют для уточнения геологического строения; оценки показателей коллективных свойств скальных пород (в массиве): прочности, упругости, плотности (сейсмические и ультразвуковые методы); расчленения пород на зоны, отличающиеся степенью сохранности (сейсморазведка, электрокаротаж); оценки гидрогеологических условий, направления и скорости движения подземных вод (методы заряженного тела, естественного поля, электрохимические).

Горно-буровые работы проводятся с целью уточнения геологического строения на конкурирующих вариантах размещения гидроузла (на створах), проведения гидрогеологических работ, опробования грунтов и подземных вод, изучения проявлений ЭГП. Горные и буровые выработки располагают на сравниваемых вариантах, по поперечникам через долину. Расстояния между выработками в пределах одного геоморфологического элемента можно подсчитать. Для ориентировочной оценки рекомендуется располагать выработки в зависимости от категории сложности на расстоянии 200-300 м в долинах равнинных рек и 15-150 м (I категория сложности) — в долинах горных рек. Шурфы закладывают на участках со сложным геологическим строением. В горных долинах проходят штольни. Глубина выработки определяется глубиной возможной сферы взаимодействия геологической среды с сооружениями гидроузла. При проектировании высоких плотин в горных условиях закладывают скважины большого диаметра (смотровые), иногда — шахты.

Гидрогеологические исследования, выполняемые в рамках этапа IIа инженерно-геологических изысканий, должны дать ответ на вопрос о том, какой вариант является более предпочтительным по соображениям гидрогеологического порядка. Для этого в пределах вариантов ведут опытные гидрогеологические работы (нагнетания, откачки, наливы) на глубину возможного развития зоны фильтрации. В ходе работ производят гидрогеологическое опробование. Из каждого водоносного горизонта отбирают пробы воды для оценки ее химического состава и агрессивности.

Опытные инженерно-геологические работы, например динамическое (статическое) зондирование, проводят для оценки геологического строения, показателей свойств рыхлых пород и характеристики их пространственной изменчивости. На участках распространения скальных пород изучают их выветрелость, трещиноватость, тектоническую нарушенность. Для оценки прочностных и деформационных свойств пород (особенно выветрелых, грубообломочных) применяют полевые методы.

По трассам деривации на этапе IIа выполняют инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 25 000 — 1 : 5000 в зависимости от категории сложности инженерно-геологических условий. Ширина полосы съемки 0,5-1 км в сторону от оси трассы деривации. По оси трассы и на поперечниках проходят скважины на глубину 3-5 м ниже отметки выемки канала. Поперечники располагают в наиболее сложных по геологическому строению местах, на участках поворота трассы, в местах проявления ЭГП. Длина поперечников до 200 м. Расстояния между выработками по трассе деривационного канала получают расчетом (одномерный сппинф). В районах распространения рыхлых пород по оси возможной трассы деривации ведут динамическое (статическое) зондирование или пенетрационный каротаж. Опытно-фильтрационные исследования на трассе деривации осуществляют только тогда, когда размеры фильтрации могут оказать решающее влияние на оценку трассы и ее выбор.

На вариантах трассы деривационных тоннелей ведут инженерно-геологическую съемку (1:25 000 — 1 : 5000), на портальных участках масштаб съемки может быть укрупнен до 1 : 2000. Если геологическое строение трассы тоннеля несложное, то горно-буровыми выработками вскрывают поверхностные отложения и выветрелую зону коренных пород, в которых проектируют тоннель. Проходят 3-5 выработок на 1 км трассы. При сложном геологическом строении проходят скважины до отметки заложения тоннеля, если он располагается на глубине до 300 м (не более одной скважины на 3 км трассы). На участках порталов закладывают поперечники (3-5 скважин на расстоянии до 25 м).
На участках возможного размещения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций (на вариантах их размещения) проводят инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 10 000 — 1 : 2000. Съемка сопровождается горно-буровыми работами на участке напорного бассейна, по трассе напорного трубопровода, на участке здания ГЭС. Глубина выработок: па участке напорного бассейна — до 20 м ниже отметки дна бассейна; на участке здания ГЭС — до 15 м ниже отметки заложения фундамента, на участке напорного трубопровода — до 7 м ниже отметок фундаментов опор.

Инженерно-геологические изыскания на площади будущего водохранилища проводятся с целью получения данных для прогноза инженерно-геологических процессов (переработки берегов, подтопления, заболачивания, фильтрации) и обоснования на основе прогноза проекта защитных мероприятий. Главным методом изысканий в пределах чаши будущего водохранилища следует считать инженерно-геологическую съемку масштаба 1: 200 000 — 1: 50 000. Съемка охватывает всю территорию, на которой при взаимодействии с водохранилищем будут развиваться инженерно-геологические процессы. По результатам съемки проводят инженерно-геологическое районирование территории водохранилища и выделяют участки, на которых ожидается развитие процессов переработки берегов, подтопления территории, фильтрации воды в борта водохранилища.

В рамках изысканий для проекта проводятся поиск и разведка месторождений строительных материалов. Подсчет запасов проводят по категориям С, и В.
После выбора варианта размещения гидроузла инженерно-геологические изыскания по своему характеру и целевому назначению отвечают этапу Пб (инженерно-геологические исследования на выбранной для строительства площадке). На участке долины реки, выбранном для строительства сооружений гидроузла, производят инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 1000 — 1 : 5000. Масштаб съемки узких горных долин со сложным геологическим строением — 1 : 1000, более широких долин со сложными инженерно геологическими условиями — 1: 2000, широких долин равнинных рек — 1 : 5000.
В долинах равнинных рек участки размещения бетонных водосливных плотин, зданий ГЭС, шлюзовых камер могут сниматься в более крупном масштабе, чем участок гидроузла. Площадь съемки ограничивают предполагаемой областью взаимодействия геологической среды с сооружениями гидроузла (в латеральной плоскости и по глубине). В результате инженерно-геологической съемки должны быть выделены и охарактеризованы показателями свойств МГТ-2 и МГТ-3 (соответственно оценки классификационных показателей и показатели прочности и сжимаемости).

Горно-буровые выработки располагают, учитывая особенности компоновки сооружений гидроузла. Фронт напорных сооружений (линию створа) можно перемещать лишь по долине, а другие сооружения (например, сооружения деривации) подчинены компоновочному решению напорных сооружений. Ясно, что наряду с определением места размещения выработки в рамках регулярного сппинфа (чаще одномерного) местоположение выработок предопределено вариантом компоновки сооружений гидроузла. Выработки располагают по длинной оси напорных сооружений, оси створа и параллельно направлению створа, на расстоянии до 100 м выше и ниже оси створа. Расстояния между выработками рассчитывают на основании данных изысканий этапа IIа. Справочная литература содержит следующие рекомендации относительно шага между выработками (табл. 13.4).

Таблица 13.4 Расстояние между выработками (м) при изысканиях на выбранном варианте

Отметим, что эти рекомендации в лучшем случае опираются на опыт изысканий и научно не обоснованы. В то же время реализация системы горно-буровых выработок, параметры которой рассчитаны с учетом характеристик пространственной изменчивости, позволяет получить информацию о строении и свойствах основания с заданной доверительной вероятностью и принятой точностью оценки средних значений показателей свойств. Горно-буровые работы, как и инженерно-геологические съемки, должны обеспечить расчленение геологической среды в пределах сферы взаимодействия на МГТ-3 и получение для них оценок показателей свойств, необходимых для проведения предварительных расчетов оснований (несущей способности, устойчивости естественных и искусственных склонов и откосов, величин перемещений сооружений, обусловленных деформациями оснований, фильтрационной прочности и фильтрационного расхода и др.) Для определения показателей свойств на участках размещения сооружений ведут полевые опытные работы (сдвиги, нагрузки на штамп, обрушения, выпирания и др.), особенно при изучении грубообломочных, трещиноватых и выветрслых скальных пород, коллективные свойства которых существенно отличаются от свойств, полученных в лабораторных условиях, на образцах.

Гидрогеологические работы в соответствии с условиями инженерной задачи должны обеспечить выполнение расчетов гидрогеологических процессов (фильтрационных расходов, водопритоков в котлованы и выработки, гидродинамического давления, суффозии). Гидрогеологические работы ведут в диапазоне высотных отметок НПУ — нижняя граница зоны фильтрации (обычно не более двух величин напора). Для изучения гидрогеологических условий ведут наблюдения за уровнем подземных вод, проводят гидрогеологическое опробование. Химический состав и агрессивность подземных вод оцениваются для каждого водоносного горизонта по выборкам малого объема. Для оценки гидрогеологических параметров проводят опытные откачки, наливы в шурфы и скважины, нагнетания.

В процессе инженерно-геологического опробования пород, выполняемого в рамках инженерно-геологической съемки и горно-буровых работ, из каждого МГТ-2 отбирается нужное число образцов для получения оценки среднего значения классификационного показателя, а также показателей прочности и сжимаемости с требуемой доверительной вероятностью 0,95. Число образцов подсчитывают (определяют по номограмме) по данным о дисперсии и заданной точности оценки показателя.

На выбранном варианте трассы деривационного канала проводят горно-буровые работы. Выработки проходят на местах размещения проектируемых сооружений (затворы, акведуки, дюкеры) и на наиболее сложных в инженерно-геологическом отношении участках. Глубину выработок устанавливают с расчетом вскрытия разреза пород на 3-5 м ниже отметки основания канала. В местах трассы, на которых ожидаются большие фильтрационные потери, выработки проходят до водоупора и в них проводят опытные откачки. Для оценки водопроницаемости пород, которые будут слагать основание и откосы капала, выполняют опытные наливы и нагнетания. На участках трассы, сложенных неустойчивыми породами, проводят опытные сдвиги, обрушения, выпирания для определения прочностных свойств.

Инженерно-геологическое опробование пород по трассе деривации должно обеспечить выделение МГТ-3 и оценку их прочностных и фильтрационных свойств с заданными точностью и доверительной вероятностью. На выбранных трассах деривационных тоннелей проходят дополнительные выработки (не более одной скважины глубиной 100-300 м на 2-3 км трассы). Разведку портальных участков тоннелей осуществляют путем проходки штолен с учетом вскрытия толщи рыхлых пород на склоне и зон выветривания и разгрузки скальных пород. По трассе ведут гидрогеологические наблюдения и опытно-фильтрационные работы для получения сведений, нужных для оценки водопритоков в тоннель при его проходке и фильтрационных потерь.

На участках станционных узлов деривационных гидроэлектростанций ведут детальную разведку мест размещения сооружений. Выработки проходят по оси отводящего канала, на поперечниках по трассе напорного трубопровода, по осям напорного бассейна и здания станции. В процессе инженерно-геологического опробования должно быть обеспечено получение данных о прочностных и деформационных свойствах пород с требуемыми точностью и доверительной вероятностью.