Исследования для гидротехнического строительства

Некоторые проблемы совершенствования геотехнических исследований для гидротехнического строительства

БОРТКЕВИЧ С. В., кандидат техн. наук

В оценке инженерно-геологических условий строительства гидротехнических сооружений важную роль играют количественные критерии состояния и свойств пород выде-ленных инженерно-геологических элементов изучаемого района и тела грунтовых сооружений.

Геотехнические исследования, проводимые с целью определения этих критериев, используемых проектировщиками в качестве расчетных показателей, учитывают специфические особенности гидротехнического строительства, среди которых наиболее важными являются техногенные и температурные воздействия на массив пород, обводнение грунтов и изменение их напряженного состояния в результате передачи нагрузок от сооружений гидроузла и изменения действующих напоров воды. По характеру решаемых задач в геотехнических иссле-дованиях выделяются два главных направления: изучение грунтов как основания сооружений и как материала для них.

В первом направлении особую проблему представляет оценка инженерно-геологических свойств глинистых оснований. Строительство сооружений на коренных глинах, как правило, связано с процессом разуплотнения пород и последующей деформацией под нагрузкой, а строительство на четвертичных глинистых отложениях — с их фильтрационной консолидацией. В обоих случаях существенно изменяются во времени прочность и другие свойства грунтов. Кроме того, при длительном воздействии касательных напряжений, близких по величине к предельным, в глинистых грунтах проявляется ползучесть. Поэтому исследователь всегда стоит перед проблемой выбора способа испытаний и расчетного параметра. В последнее время в практике Гидропроекта прочностные свойства глинистых грун-тов определяют в основном лабораторными испытаниями образцов, отобранных из скважин или шурфов. Для твердых и полутвердых глин выполняют замедленный сдвиг с последующей корректировкой полученных результатов в сторону снижения за счет разуплотнения и ползучести; для пластичных разностей глинистых грунтов — ускоренный сдвиг, который частично учитывает возможное снижение прочности этих пород при возникновении порового давления воды от действующей нагрузки; для трещиноватых отдельностей — сдвиг «плашка по плашке».

Основной недостаток этих способов испытаний грунтов заключается в нарушении естественной структуры и разуплотнении образцов пород, а также в невозможности учета индивидуальных особенностей каждого рассмотренного основания, например, трещиноватости, слоистости и пр., что связано с разрушением структурных связей в породах при бурении и дополнительном увлажнении глинистых разностей. Кроме того, прочностные характеристики, полученные таким образом, условны и поэтому исключают возможность совершенствования расчетов и повышения их достоверности путем анализа натурных наблюдений. Устранению этого недостатка отчасти будет способст-вовать внедрение в экспедициях сдвигового стенда и установки радиального сдвига УРС-11.

Сдвиговой стенд предназначен для массовых испытаний больших образцов диаметром и высотой 0,3 м (рис. 1), а установка УРС-1—для, полевых исследований прямоугольных образцов с площадью среза 0,3X0,2 м (рис. 2). Обе установки легко транспортируются, монтируются и демонтируются, просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.

Для более точных определений строительных свойств глинистых грунтов необходимо развитие в изыскательской практике полевых исследований штампами и опытными на-сыпями. Уточнение свойств глинистого «грунта основания сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях, с использованием полевых установок и опытных насыпей должно производиться на стадии изысканий для проекта, а в начальный период строительства — на фрагментах реального сооружения. Следует отметить, что, несмотря на рекомендации широкого использования опытных насыпей для изучения слабых глинистых грунтов оснований  и положительные результаты научных работ НИСа Гидропроекта на правобережной плотине Усть-Хантайской ГЭС и на Аргазинской плотине, проект опытной насыпи в теле дамбы напорного бассейна Загорской ГАЭС так и не был осуществлен. До настоящего времени в практике проектирования в достаточной мере не освоен учет порового давления консолидации при расчете устойчивости сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах оснований, чем значительно сдерживается повышение надежности и экономичности этих сооружений, поскольку прочностные характеристики грунтов в таком расчете в 1,5—2,5 раза выше тех, которые получают ускоренным и быстрым срезом для традиционных расчетов.

Учет порового давления воды и повышения прочности грунта при консолидированных испытаниях позволяет рас-четами выявить влияние сроков возведения сооружения на его устойчивость и выбрать наиболее благоприятный график строительства, обеспечивающий улучшение свойств слабого глинистого грунта основания за счет уплотнения под весом сооружения.

Недостаточное применение при проектировании разра-ботанной Гидропроектом и изложенной в соответствующих рекомендациях программы расчета на ЭВМ устойчивости откосов, позволяющей использовать характеристики проч-ности, полученные консолидированными испытаниями грунта, с определением порового давления воды по В. А. Флорину, показывает необходимость проведения полного комплекса исследований и расчетов традиционным и предлагаемым методом с выявлением преимуществ и недостатков каждого из них на разных типах сооружений.

Рис. 1. Сдвиговой стенд для испытания образцов грунта диаметром 300 мм:

а — общий вид установки в сборе; б — узел, обеспечивающий создание горизонтального усилия и перемещения; 1 — станина; 2 — система плит и катков; 3 — нижнее кольцо стакана; 4 — гидродомкрат для создания сдвигающего усилия; 5—траверса с полусферой; 6 — верхнее неподвижное кольцо стакана; 7 — гидродомкрат для создания вертикальной нагрузки; 8 и 9 — ручные насосные станции; 10— манометры; 11— индикаторы

Рис. 2. Общий вид сдвиговой установки УРС-1

Не только по глинистым породам, но и по другим видам грунтов проектировщики и изыскатели нередко расходятся в оценке расчетных характеристик. Проектировщики не всегда представляют себе достоверность и диапазон возможного изменения показателей, а изыскатели недостаточно знают расчетные схемы и влияние изменения расчетных показателей на выбор конструкции и способов возведения сооружений. Этот пробел можно ликвидировать путем совмещения опытного проектирования и непосредственных исследований

грунтов основания, взаимодействующего с сооружением. Выполнение исследований, включающих в себя лабораторные и полевые испытания, натурные наблюдения, а также расчеты позволит, с одной стороны, повысить достоверность расчетных показателей, а с другой — поможет проектировщикам своевременно выбирать наиболее экономичные проектные решения. Отдел инженерно-геологических изысканий ведет поиски в этом направлении. Также актуально проведение исследований ползучести глинистых грунтов и дальнейшая разработка инженерных методов учета этого процесса при оценке деформаций и устойчивости сооружений.

Помимо проведения непосредственных исследований пород важную роль в выборе и правильном назначении расчетных показателей играют аналоги. В Гидропроекте разработана и осваивается автоматизированно-поисковая система (АИПС) «Инженерная геология», предназначенная для хранения, обработки и аналогового использования данных о свойствах пород, полученных различными методами. Предполагается, что в дальнейшем АИПС позволит осуществить достаточно полную автоматизацию обработки результатов изысканий вплоть до контроля за проведением работ на основе оптимизации. Главная особенность предложенного подхода в определении показателей заключается в том, что искомые показатели определялись на основе прогноза уравнения регрессии средних значений параметров во всем диапазоне их изменения. Прогноз строится на анализе и выявлении закономерностей изменчивости параметров на основании сравнительно ограниченного числа строящихся по фактическим данным региональных зависимостей. Область применения каждой конкретной системы уравнений — определенный генетический тип пород (тип структурных связей) и определенные условия (схема) проведения опыта. Таким образом, появляется возможность не только накапливать, систематизировать и направлять исследования, но также определять по физическим характеристикам прочностные, деформационные и другие свойства пород.

Выполнение комплекса вышеуказанных работ позволит сократить существующий разрыв между возможностями решения задач на ЭВМ и обеспеченностью расчетов исходными данными. Однако такие работы требуют создания централизованной геотехнической службы, в задачи которой входили бы совершенствование способов определения расчетных характеристик, испытательной аппаратуры и методов расчета оснований, методическое руководство гео-техническими исследованиями в сложных инженерно-гео-логических условиях, например, на естественных склонах, в зонах распространения просадочных или набухающих грунтов, во многолетнемерзлых породах и т. д. В части изучения деформационных свойств оснований такой шаг изыскателями Гидропроекта уже сделан: создана и успешно работает специальная группа, которая разработала и внедрила в практику прессиометрические испытания, позволяющие определять

деформационные характеристики пород на глубинах до 100 м без нарушения их естественного напряженно-деформированного состояния.

Известно, что наиболее хорошие варианты створов гидроэлектростанций в необходимых районах строительства практически исчерпаны. В связи с этим инженерно- геологические условия новых ГЭС осложняются, а геотехнические исследования играют все большую роль. Eще более проявляется этот процесс на примере проектирования и строительства гидроаккумулирующих станций, где пришлось столкнуться не только с проблемой определения расчетных показателей грунтов для естественных склонов, но также с прогнозом изменения этих свойств вследствие подрезки и обводнения склона при строительстве и эксплуатации ГАЭС.

Оценка расчетных параметров грунтов и устойчивости склона ГАЭС как самого по себе, так и в системе сооружений (с дамбой напорного бассейна, трубопроводами и зданием станции) может быть выполнена только в результате длительных геотехнических исследований и геодезических наблюдений непосредственно на самом склоне. Для этого необходимы дополнительные силы и средства, которые можно было бы подключать на самых ранних стадиях проектирования.

Второе крупное направление геотехнических исследований связано с изучением грунтов в качестве строительных материалов. При разведке месторождений стройматериалов проводят опробование грунтов с целью определений качества их и соответствия требованиям существующий, стандартов, норм и технических условий строительства. Опробование выполняется на всех стадиях изысканий г включает следующие основные операции: отбор начальных проб из разведочных выработок и естественных отложений; обработку и доведение начальной пробы или группы начальных проб до массы, нужной для соответствующие, испытаний. Если основная сложность первой операции состоит в обеспечении представительности пробы и может быть решена теми или иными средствами, то сложности двух других операций пока не всегда преодолимы. Особенно это касается крупнообломочных грунтов и грунтов с включениями, требуемую плотность которых можно достоверно установить только экспериментальным путем, а провести испытания только на крупногабаритном обору-довании, полным комплектом которого изыскатели Гидропроекта не располагают.

Для решения этих вопросов в творческом сотрудничестве изыскателей и НИСа Гидропроекта создан отраслевой стандарт по определению максимальной плотности рассматриваемых грунтов и разработан прибор стандартного уплотнения. НИС Гидропроекта проводит испытания крупнообломочных грунтов на больших стабилометрах, но полный объем испытаний по всему изыскательскому производству может выполнить специальная геотехническая служба с полным комплектом оборудования для испытаний крупнообломочных пород и грунтов с включениями. Это даст возможность самостоятельно выполнить указанные испытания и высвободить НИС для проведения наиболее важных научных исследований.

Разработка и внедрение новых, прогрессивных методов исследований, оборудования и приборов является наиболее действенным способом повышения эффективности и качества изысканий, поэтому требует к себе особого внимания. На очереди стоит вопрос об автоматизации испытаний всех видов грунтов с выдачей информации на дисплей.

Другим важным направлением повышения эффективности исследований грунтов в качестве стройматериалов при изысканиях является систематизация и анализ исследований, выполненных смежными организациями. Так, например, если обобщить и планомерно дополнить работы НИСа Гидропроекта, ВНИИГа, ВОДГЕО, НИИОСПа и других по изучению физико-механических свойств галечников и горной массы, а также увязать их со стандартными определениями плотности, то можно получить зависимости прочностных и деформационных характеристик от зернового состава и вида пород. Разумное сочетание полевых определений зернового состава, петрографической разборки, стандартного уплотнения и обобщенных зависимостей свойств по таким грунтам позволит значительно ускорить процесс опробований, сделает более точным и уверенным назначение расчетных характеристик.

Важность решения задачи оперативного и точного определения расчетных характеристик видна на примере проектирования ряда крупных гидроузлов в Средней Азии, Сибири и на Кавказе, где уточнение строительных свойств грунтов зачастую способствовало изменению конструкций плотин и даже компоновки сооружений. Такие же проблемы возникают и при изучении свойств коренных пород склонов ГАЭС для использования их в насыпях (Средне-волжские ГАЭС и др.).

При строительстве плотин из грунтовых материалов все шире применяют низкопрочные породы, к которым относятся, естественно, дезинтегрированные породы, элювиально-делювиально-пролювиального генезиса, и сохранные такие как алевриты, глинистые сланцы, мучнистые доломиты, мел и т. п. В использовании этих пород заложен значительный резерв экономии стоимости строительства. Однако их испытания требуют нестандартного подхода и увязки с конструкцией сооружения и технологией его воз-ведения. Изыскатели Гидропроекта развивают эти иссле-дования с учетом накопленного опыта в тесном сотрудничестве с НИСом Гидропроекта и ВОДГЕО. В качестве примера на рис. 3 показана опытная отсыпка в воду мучнистых доломитов при изучении их в качестве строительного материала для тела плотины. Предполагается разработать методические рекомендации по исследованию низкопрочных пород как материала тела плотин.

Рис. 3. Опытная отсыпка в воду

(а) и сдвиговые испытания грунта в насыпи (б) при изучении мучнистых доломитов в качестве материала для тела плотины

Для установления возможности и условий применения некондиционных строительных материалов, а также для уточнения показателей свойств кондиционных грунтов обычно проводят опытные работы (отсыпку, уплотнение, намыв грунта, пробную замочку или разработку месторождений, взрывные работы и др.). Согласно эти работы должны выполняться на стадии рабочей документации по программе, составленной проектно-изыскательской организацией, которая осуществляет натурные наблюдения, привлекая при необходимости научно-исследовательские институты. Но практика выполнения этих работ на ряде объектов показала, что наибольший эффект они дают, если проводятся на изысканиях под проект. Поэтому важно своевременно закладывать в программу изысканий опытные работы с использованием механизмов, которые будут применяться на строительстве. Реальность осуществления такого кого подхода была доказана во время изысканий и производственных исследований для обоснования проектов плотин Рогунской, Спандарянской, Богучанской и других ГЭС в СССР, гидроузлов Хадита в Ираке, Чиан в СРВ и т. п.

Для развития опытных работ по изучению грунтов в качестве оснований и материала сооружений необходимо создание парка современного полевого оборудования, поз-воляющего проводить экспресс-испытания на месте изыска-ний. Эта работа хотя и выполняется, но требует также активизации геотехников.

Геотехническая служба призвана быть тем звеном, ко-торое объединяло бы усилия изыскателей и проектировщиков в разработке оптимальных проектных решений. Это требует не только соответствующей квалификации геотехников, но и надлежащей базы, где было бы возможно проведение широкого комплекса полевых и лабораторных исследований и моделирования, что позволило бы выдавать обоснованные долговременные прогнозы по составу и свойствам грунтов. Следует отметить также, что для решения основных проблем в области изучения свойств грунтов при изысканиях необходимо, чтобы доля геотехнической службы в изыскательском производстве соответствовала той доле, которую занимают вопросы геотехники в материалах инженерно-геологического обоснования проектов гидротехнических сооружений.