Введение к работе
В последние десятилетия в СССР в связи с расширением промышленного.освоения Сибири. Дальнего Востока. Средней Азии. Кавказа в этих регионах получило развитие строительство
ГЭС на скальных основаниях в сложных природных условиях. Возведение гидротехнических сооружения приводит к изменению напряженно-деформированного состояния, фильтрационного и термического режимов значительных участков земной коры, что может вызвать наруиение . природного равновесия в массивах даже таких, казалось бы, прочных грунтов, как скальные породы. Как показывает опыт крупных аварий на гидроузлах Вайонт (Италия), Мальпассе (Франция), Титон (США), это приводит к серьезным последствиям для населения, окружающей среды и хозяйства целых регионов. Большая ответственность крупных гидротехнических сооружений предопределяет необходимость детальной оценки инженерно-геологических условий строительных площадок, определения реальных показателей физико-механических свойств грунтов оснований и объективного прогноза характера взаимодействия сооружения с основанием, то есть решения важнейших проблем формирующейся в настоящее время-научной дисциплины прикладной геомеханики в строительстве.
В настоящем докладе представлены результаты экспериментальных геомеханических исследований автором скальных оснований крупных гидротехнических сооружений с оценкой влияния различных инженерно-геологических факторов на физико-механические характеристики скальных грунтов (деформационные, прочностные и фильтрационные) и на характер взаимодействия сооружения с основанием. Эти исследования имеют своей целью как научное обоснование проектирования и строительства конкретных гидротехнических объектов, так и разработку и развитие общих
экспериментальных основ геомеханики скальных оснований сооружений.
Исследования выполнялись в период с 1958 по 1990 гг. в лабораториях ВНИИГа и его Сибирского филиала и на строительных площадках ряда объектов по планам НИР института, которые определялись координационными планами важнейших государственных научно-технических программ ГКНТ при Совете Министров СССР и плановыми заданиями Минэнерго СССР.
Актуальность темы. Несмотря на известные достижения в части научного обоснования строительства гидротехнических сооружений на скальных основаниях, полученные- в ряде научно-исследовательских и проектно-изыскательных организаиий как у нас в стране (ВНИИГ, Гидропроект и его отделения, МИСИ, КФ и ИГД АН СССР. ВНІҐМИ. ДИИТ. МГМИ, МГУ. ИФЗ АН'СССР, ДГТУ. МА-ДИ, ННИОСП. ПНИИС и др.). так и за рубежом, вопросы прикладной геомеханики скальных пород требует дальнейшей разработки. В связи с недостаточной разработанность» ряда проблем геомеханики планированию их научной разработки применительно к строительству гидроузлов отводится большое место в государственных научно-технических программах (НТП) важнейших НИР ГКНТ СМ СССР. Настояная диссертационная работа связана с выполнением исследований по ряду заданий по следующим проблемам государственных НТП: 0.01.251 (1966-1970); 0.01.275, задание 280 (1971-1975); 0.01.05. задание 09.Н9 (1976-1980); 0.55.08. задания 07.НІ (1981-1985): 0.55.08 задания 01.02; 06 (1986-1990 гг). Эти задания включают вопросы развития научного направления "Скальные основания гидротехнических сооружений", по которому -автор, диссертации'был одним из научных руководителей и ответственным исполнителем ряда работ.
Цель ю работ.ы является: разработка методов и рекомендаций, направленных на повышение уровня и эффективности научного экспериментального обоснования изысканий, проектирования и строительства гидротехнических сооружений на скальных основаниях и обеспечивающих надлежащую надежность объектов, умень-
шенне стоимости и сроков их строительства.
В соответствии с указанной целью решались задачи:
усовершенствования и разработки рациональных методов, установок и приборов для изучения механических свойств скальных грунтов и. массивов :
проведения испытаний и накопления данных о закономерностях деформирования трещиноватых скальных грунтов, их прочности и сопротивляемости сдвигу при статическом и динамическом приложении нагрузки и различных масштабах испытаний:
разработки методики и определения естественных напряжений в скальном массиве:
исследования влияния напряженного состояния массива на деформационные, прочностные и фильтрационные характеристики трещиноватой скалы;
модельных исследований характера взаимодействия сооружений с трещиноватым скальным основанием:
разработки конкретных рекомендаций и требований, направленных на повышение уровня изысканий, проектирования и строительства гидротехнических сооружений на скальных основаниях, для включения в нормативно-методические документы.
Состав и_ методы исследований.
Выполненный комплекс исследований включает: изучение свойств деформируемости, прочности, сопротивляемости сдвигу и водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов , характера взаимодействия гидротехнического сооружения со скальным основанием, разработку методики определения естественных напряжений, а также разработку рекомендаций и требований по обеспечению надежности системы сооружение-основание для включения в нормативно-методические документы. При проведении исследований использовались как известные, так и оригинальные полевые методы испытаний скальных грунтов в том числе: крупномасштабные опыты, теоретические, расчетные и геомеханнческие модельные исследования с применением разработанных автором на уровне изобретений способов и установок; выполнялись научное обобщение и анализ полученных результатов.
Научная новизна исследований представлена:
рядом закономерностей деформирования, сопротивляемости сдвигу и водопроницаемости скальных пород. выявленных на основе лабораторных и крупномасштабных испытаний в натурных условиях при статических и динамических воздействиях;
разработанными на уровне изобретений способами изучения физико-механических свойств скальных массивов и соответствующими устройствами для их испытаний;
результатами определения деформационных характеристик и естественных напряжений в скальных треминоватых массивах на основе крупномасштабных полевых испытаний пород в подземных выработках:
данными о влиянии техногенных воздействий на механические характеристики скальных массивов;
результатами испытаний скальных пород, полученными при исследовании оснований .конкретных объектов:
- данными о характере статической работы системы сооружение-основание по результатам модельных исследований.
Практический выход работы заключается в_ следующем:
разработан на уровне изобретения ряд новых и усовершенствованы некоторые известные методы испытаний скальных пород, внедрение которых позволило более полно исследовать геомеханические свойства скальных пород;
накоплены многочисленные фактические данные о прочностных и деформационных характеристиках ряда скальных пород, позволивыие выполнить их обобщение и составить рекомендации по численным значениям характеристик для проектирования конкретных сооружений;.
выявлены некоторые особенности взаимодействия плотин с трещиноватыми скальными основаниями. позволяющие совершенствовать методы расчетов системы сооружение-основание и рекомендовать мероприятия по ее рационализации:
сформулированы требования и усовершенствован ряд Общесоюзных и ведомственных нормативно-методических документов
(СНиП. ВСН. РД), касающихся исследований и проектирования оснований гидротехнических сооружений.
Внедрение результатов исследований осуществлялось:
при проведении изысканий и научном обосновании проектирования и строительства более чем двадцати энергетических и гидротехнических объектов (Богучанской, Братской, БурейскоП, Днепровской-11, плотины на р.Кассеб в Тунисе, Красноярской, Курпсайской, Кырджали в НРБ, Нурекской / Рогунской , Спандарь-інской, Токтогульской, Туполангской плотины, Усть-Илимской, Усть-Хантайской. Чиркейской и др. ГЭС, а также Усть-Илимского ЛПК);
путем включения прогрессивных норм и требований во . Всесоюзные, ведомственные и другие нормативно-методические документы, в частности, в СНиП 11-16-76 и СНиП 2.02.02-85. СНиП 2.06.01-86. в пособие П 13-83 к главе СНиП 11-16-76, ВСН-30-83 (Минэнерго СССР), по которым автор был одним из ответственных исполнителей и редакторов. Результаты использованы также при разработке ряда других СНиП (11-50-74; II 54-77, 2.06.09-84), в составлении которых также принимал участие диссертант. За разработку СНиП 11-16-76 автор награжден медалью ВДНХ:
при разработке на уровне изобретений различных устройств и конструкций, их изготовлении и использовании при проведении испытаний скальных пород и массивов. В практику внедрено 9 изобретений автора.
Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований, по которым автор был руководителем или ответственным исполнителем. по неполным данным составляет порядка 6,4 млн.руб. , ожидаемый и потенциальный эффект превышает 7,0 млн.руб.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 15 Всесоюзных совещаниях. а также на 13 Международных конгрессах и симпозиумах. В частности, они апробировались:
в СССР: на 1-м Всесоюзном съезде по механике (Москва.
1960). на совещаниях по проектирование и исследовании скальных оснований гидротехнических сооружений (Ленинград. Нарва -1967. 1972. 1980. 1982 гг.). по работе бетонных плотин совместно со скальным основанием (Нарва. 1979 г.). по повышению надежности гидротехнических сооружений при динамических воздействиях (Москва, 1976 г.), по оценке надежности гидротехнических сооружений (Тбилиси. 1982 г.), по дискретным средам (Ленинград, 1972 г.), по совершенствованию проектирования и строительства подземных гидротехнических сооружений (Ереван, 1977 г.), по закреплению и- уплотнению грунтов (Ленинград, 1S71 г.), по гидротехнике Крайнего Севера (Красноярск, 1977, 1981, 1986 гг.), на семинаре по техногенным воздействиям на свойства скалы (Москва. 1988 г.);
- на конгрессах Международного общества по механике скальных пород: Лиссабон (1966 г.). Белград (1970 г.). Денвер (1974 г.) Монтре (1979 г.), XIV конгрессе по большим плотинам (Рио де Жанейро. 1982 г.):
- на Международных конференциях и симпозиумах: по фильтрации воды в пористых средах (Киев. 1976 г.). по слабой скале (Токио 1981 г.). по анкеровке скалы (Абиско. 1983 г.). по численным методам в геомеханике (Нагойя. 1985 г.), по скальным основаниям (Мексика. 1985 г.), по механике (Прага, 1987 г.), по механике скалы н энергетическим установкам (Мадрид, 1988 г.), по трецинам в скале (Норвегия, 1990 г.).
Результаты исследований рассматривались на Ученом Совете ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева и его секциях, на Технических Советах Гндропроекта им.С.Я.Хука и его отделений, Узгнпроводхлопка и других проектных организаций
Публикации. Представленные к защите результаты исследований опубликованы персонально и в соавторстве в 147 печатных работах в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе: в 6 монографиях и брошюрах (одна монография переведена за рубежом на английский язык), в 18 докладах в трудах международных конгрессов и симпозиумов, а также включены в 11 Всесоюзных и ведомственных нормативно-методических документов. Автором
лично и в соавторстве разработано 19 изобретений. В прилагаемом к докладу списке опубликованных работ приведены только основные публикации и внедренные изобретения автора. а также нормативные документы. в которых использованы результаты его исследований.
Личный вклад автора в разработку экспериментальных основ геомеханики скальных оснований сооружений определяется тем. что им одним из первых в нашей стране научно обоснован и проведен ряд важных. в том числе крупномасштабных полевых и лабораторных, оригинальных исследований, результаты которых внедрены при научном обосновании проектирования ряда крупных гидроузлов.
Во всех опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат основные идеи обеспечения необходимой информативности и обоснования экспериментальных исследований; методологические части - разработка новых методов. способов и устройств; научное руководство и непосредственное участие в экспериментальных, расчетных и теоретических исследованиях; обобщение полученных результатов, формулирование выводов и разработка рекомендаций. Экспериментальные исследования, расчеты, конструирование испытательного оборудования, а также некоторые теоретические и расчетные разработки совместно -с автором выполняли сотрудники ВНИИГа и его Сибирского филиала, а также Гидропроекта им.С.Я.Жука и его отделений.
Основные положения и - выводы по докладу получены лично автором и при его непосредственном участии.
В проведении лабораторных и полевых исследований, расчетов, а также во внедрении их результатов участвовали С.Г.Аксенов. А.Л.Гольдин, А.Н.Гуреев. П.Д.Евдокимов. В.Н.Жи-ленков. Н.М.Карпов. Т.Ф.Липовецкая. А.А.Никитин, В.А.Ногин, С.И. Панов. И.В.Придорогина, А.А.Уваров, А.И.ФеДоренко, Ю.А.Фишман, Л.П.Фрадкин, А.А.Храпков. Р.А.Ширяев и ряд других сотрудников, которым автор выражает свою признательность за их помочь в работе.
На замиту выносятся следующие положения:
-
Экспериментально и теоретически установлено. что наличие естественных сжимающих напряжений и значительного фрикционного взаимодействия отдельностей в скальном массиве приводит к повышению связности и распределительной способности трещиновато-блочной среды и в ряде случаев - к снижению влияния масштабного фактора как на деформируемость . так и на сопротивляемость массива сдвигу. Напряженное состояние массива существенно влияет на его водопроницаемость.
-
Установлено, что скальные массивы обладают деформационной анизотропией, связанной как с их структурой. так и с характером напряженного со'стояния части массива, прилегающего к месту проведения опыта. Они обладают также выраженной деформационной неоднородностью, проявляющейся в уменьшении деформируемости по мере заглубления в массив. ,Для установления объективных деформационных характеристик массива необходимо производить измерения смещений не только загружаемой его поверхности, но и в точках внутри массива.
-
Крупномасштабными экспериментальными исследованиями установлено, что сопротивляемость скальных грунтов сдвигу по трещинам при импульсном приложении нагрузок больше. чем при статическом.
-
Экспериментальными исследованиями установлено. что цементация трещиноватых скальных массивов. как правило, приводит к повышению как деформационных. так и прочностных характеристик массива.
-
Определение достоверных 'геомеханических характеристик скальных оснований гидротехнических сооружений должно выполняться поэтапно на основе совокупности экспериментальных и аналитических методов, которые включают; прогнозный и последующий расчетный анализ взаимодействия сооружений с основанием; прогноз, экспериментальное определение и уточнение геомеханических характеристик массива на основе поэтапной разработки и уточнения с необходимой детальностью инженерно-геологической модели основания.
-
Разработанный статистический метод определения рас-
четных характеристик сопротивления сдвигу скальных грунтов позволяет запроектировать 'более экономичные гидротехнические сооружения. В результате этого в большинстве случаев профиль гравитационных плотин в настоянеє время определяется не расчетами их устойчивости, а расчетами их напряженно-деформированного состояния и прочности системы плотина - основание.