МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ГЛАВТЕХСТРОЙ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ
имени Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА

МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ
СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ В ОСНОВАНИЯХ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(Пособие к СНиП 2.02.02-85)

П 54-90
ВНИИГ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1992

Методика базируется на представлении о трещиноватых скальных массивах, служащих основаниями крупных инженерных сооружений, как о дискретной, неоднородной и анизотропной среде зонально-блочного строения.

Работа включает обоснование и методику анализа данных опытно-фильтрационных полевых работ и их интерпретацию при распространении на пространство скального массива в форме масштабно-понятийных моделей водопроницаемости.

Составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

Предназначена для инженеров-геологов, гидрогеологов, проектировщиков, занимающихся обоснованием гидротехнического строительства.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Строительство гидротехнических сооружений в сложных инженерно-геологических условиях повысило требования проектирования к качеству изысканий и исследований оснований. Для обоснования проектов противофильтрационных и дренажных устройств необходимо знать распределение характеристик водопроницаемости (коэффициента фильтрации и удельного водопоглощения) в основании плотины, т.е. создать модель водопроницаемости¹.

¹ Ряд авторов именуют ее «фильтрационной моделью», а также «моделью фильтрационных свойств». По-видимому, «фильтрационная модель» должна быть более информативной, т.е. помимо параметров водопроницаемости включать распределение в массиве значений критической скорости движения воды в трещинах, критического градиента напора, упругой и гравитационной водоотдачи и др.

Необходимость в методике ее составления определяется еще до сих пор бытующим, недостаточно системным подходом к интерпретации данных о водопроницаемости оснований плотин без учета структурной неоднородности и анизотропии скальных массивов. При этом фильтрационные разрезы, независимо от структуры основания, представляются слоистыми (с границами приблизительно параллельными дневной поверхности), т.е. учитывают лишь разную степень экзогенного изменения пород. Такое упрощение реальной картины нередко приводит к нежелательным последствиям - изменениям в проектах, ошибкам в определении объемов цементационных работ или осложнениям в эксплуатации гидроузлов.

Во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, начиная с 1967 г., под руководством А.М. Гуреева разрабатывалась методика обобщения материалов гидрогеологических исследований на геоструктурной основе. Методика апробирована при исследованиях оснований Саяно-Шушенской, Красноярской, Колымской, Могилев-Подольской, Ингурской, Чарвакской ГЭС, Константиновского, Стрыйского гидроузлов и др., в том числе при моделировании методом ЭГДА на плоских разнородно-проницаемых электрических моделях.

Сходный методический подход по данному разделу инженерно-геологического моделирования развивался в Гидропроекте В.В. Каякиным и А.И. Каякиной (Токтогульский, Курпсайский, Чарвакский гидроузлы, плотина Папанского водохранилища) [29].

Различным вопросам фильтрационного моделирования скальных оснований посвящены работы Г.М. Ломизе, М.В. Раца, С.Н. Чернышева, Л.А. Ароновой, В.Н. Жиленкова, Л.Н. Павловской, А.В. Андрианова, В.З. Чечота, А.К. Мастицкого и др. Однако до настоящего времени отсутствовало методическое пособие по построению моделей водопроницаемости.

В настоящей работе с позиции дискретного (зонально-блочного) строения скальных массивов изложена методика составления моделей водопроницаемости скальных оснований плотин. Показаны способы выявления зон сосредоточенной фильтрации и суффозионного выноса фильтрационным потоком заполнителя трещин и карстовых полостей. Изложены общие предпосылки возникновения и развития суффозии в скальных массивах. Показана возможность использования гидравлических данных, полученных при строительстве противофильтрационных завес, для уточнения модели водопроницаемости.

Методика составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГа А.М. Гуреевым, М.С. Кравец, О.К. Воронковым.

В подготовке работы к изданию принимал участие И.С. Брюн. В анализе материалов на конкретных объектах участвовали Л.И. Антонова (Саяно-Шушенский, Константиновский, Ингурский гидроузлы), М.П. Леонов, Т.В. Моисеенко, С.М. Румянцева (Чарвакский гидроузел).

Научное редактирование выполнено зав. лабораторией инженерной геологии и геокриологии канд. геол.-мин. наук Н.Ф. Кривоноговой и зав. лабораторией фильтрационных исследований доктором техн. наук В.Н. Жиленковым.

При составлении Методики были учтены замечания и предложения ряда организаций: Гидропроекта им. С.Я. Жука, ЛГТУ, Ленгидропроекта, а также специалистов ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

При подготовке данной редакции использованы советы и замечания В.Н. Жиленкова, Г.В. Катульского, Н.Н. Кондратьева, Н.Ф. Кривоноговой, В.М. Лебедева, Л.Н. Павловской, И.А. Пирогова, Л.Ф. Фурсова, Н.И. Шевченко.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Область применения

1.1. Настоящей Методикой целесообразно руководствоваться при:

- инженерно-геологических изысканиях, гидрогеологических исследованиях;

- анализе и обобщении данных опытно-фильтрационных работ;

- разработке моделей водопроницаемости, необходимых для проектирования подземного контура высоконапорных плотин, расчетов фильтрационных расходов, расчетов местной фильтрационной прочности, обоснования параметров противофильтрационных и дренажных устройств, конструкций, проектирования цементационных завес и определения ожидаемого поглощения цемента.

Методика может использоваться также для построения физических моделей с целью фильтрационных исследований (методом электрогидродинамических аналогий - ЭГДА и др.) при определении основных параметров фильтрационного потока: градиентов напора в теле цементационной завесы, градиентов напора на выходе фильтрационного потока в дренаже и в нижний бьеф, противодавления на подошву плотины, фильтрационных расходов, формы и параметров фильтрационного потока в береговых примыканиях и др.

Примечания: 1. Настоящая Методика может быть использована также при:

изысканиях и исследованиях скальных и полускальных оснований сооружений тепловых и атомных электростанций, транспортных сооружений;

изучении массивов в связи с проведением горных работ;

изучении подземных горных выработок;

проектировании и разработке карьеров и других подобных объектов.

2. При использовании настоящей Методики следует также соблюдать требования СНиП на проектирование оснований гидротехнических сооружений (2.02.02.85), на инженерные изыскания для строительства (1.02.07-87), ГОСТ 25100-82 и другие общесоюзные и ведомственные документы, относящиеся к вопросам инженерно-геологических изысканий и исследований.

3. Настоящая Методика не рассматривает вопросы фильтрационных расчетов оснований и экспериментального моделирования методом ЭГДА (см. СНиП 2.02.02-85 и Пособие к СНиП II-16-76) [49].

4. Настоящая Методика не рассматривает вопросы фильтрационного моделирования многолетнемерзлых скальных оснований, но применима к таликовым зонам области многолетней мерзлоты.

1.2. Важнейшими характеристиками водопроницаемости, рассматриваемыми в Методике, являются:

удельное водопоглощение породы q (л/мин×м×м) - расход (в литрах за 1 минуту) нагнетаемой в скважину воды, отнесенный к интервалу длиной 1 м и к напору, равному 1 м столба воды; общепринята упрощенная запись размерности q - л/мин;

коэффициент фильтрации К_ф (м/с или, м/сут) - скорость фильтрации через единицу поперечного сечения грунта при гидравлическом градиенте (H/L), равном единице (Н - разность напоров; L - длина пути фильтрации).

Между величинами q и К_ф существуют тесные корреляционные связи (r ³ 0,95). В практике инженерно-геологических изысканий скальных оснований допустимо принимать примерное равенство численных значений q (л/мин×м²) и К_ф (м/сут). По данным В.М. Насберга, в различных массивах пород основной диапазон изменения отношения q/К_ф = 0,64¸1,44.

1.3. Массивы скальных пород характеризуются широким диапазоном изменения водопроницаемости: 10^-3¸10³ л/мин. Различие величин q до 5 - 6 порядков встречается в пределах одного массива. Например, монопородный (гранитный) массив участка Колымского гидроузла характеризуется значениями q = 0,001¸1270 л/мин. Большой разброс величин q в одном и том же массиве объясняется наличием редких, но широко раскрытых трещин. При этом длина опытных интервалов (обычно 5 - 10 м) сопоставима с расстояниями между крупными трещинами. Точность единичного определения характеристики водопроницаемости оценивается предельными ошибками порядка 40 % (метрологические - 20¸30 %, методические - 10¸12 %) [23]. Классификация скальных оснований по водопроницаемости приведена в табл. 1 (СНиП 2.02.02-85).

1.4. В Методике используется следующая терминология.

Водопроводимость - фильтрующая способность отдельных элементов скальных массивов: пластов, зон, отдельных трещин и т.д., выраженная через произведение коэффициента фильтрации этого элемента на его мощность. Для пакетов или пачек пластов, состоящих из пород с различными коэффициентами фильтрации, водопроводимость пакетов или пачек будет равна сумме произведений коэффициентов фильтрации на мощность каждого из пластов, образующих пакет или пачку пород.

Таблица 1

Водопроницаемость - свойство грунта, заключающееся в способности среды пропускать сквозь себя воду (основное фильтрационное свойство горных пород в массиве или в образце).

Водоупор - практически водонепроницаемый слой грунта, подстилающий водопроницаемое основание плотины.

Дарси - проницаемость, при которой на длине пути фильтрации 1 см по направлению струи через породу с поперечным сечением 1 см² и перепаде давления 0,1 МПа в течение 1 с проходит 1 см³ жидкости вязкостью в 1 сантипауз.

Действительная скорость фильтрации - средняя скорость движения жидкости в открытых порах и трещинах (пустотах) среды, т.е. расход фильтрационного потока, отнесенный к действительной площади только фильтрующего сечения (площади всех пустот).

Ламинарная фильтрация - движение фильтрующей жидкости со скоростью, линейно зависящей от градиента напора.

Механическая суффозия - размыв грунта фильтрационным потоком, проявляющийся в виде отрыва и перемещения отдельных его частиц и агрегатов грунта внутри полостей, пор, каверн и трещин.

Модель - абстрактное (понятийное) или вещественное отображение объектов или процессов, адекватное исследуемым объектам (процессам) в отношении некоторых заданных критериев.

Модель гидрогеологическая скального массива - пространственное распределение гидрогеологических характеристик массива (коэффициентов фильтрации, удельных водопоглощений, скоростей фильтрации, дебитов, напоров, минерализации, химического состава, температуры подземных вод и т.п.), представленное в виде системы вертикальных и горизонтальных сечений скального массива, а также вспомогательных схем, диаграмм и др.

Модель водопроницаемости скального массива - составная часть гидрогеологической модели, характеризующая распределение значений коэффициента фильтрации или удельного водопоглощения.

Модель инженерно-геологическая - комплекс моделей, включающий группы: а - основной модели (геоструктурной - строения и состояния массива); б - вспомогательных моделей (литолого-петрологической, структурно-тектонической, экзогенного изменения пород, геофизической, напряженного состояния массива); в - прикладных или специализированных моделей: свойств, природных процессов, взаимодействия массива с сооружением.

Подземный контур бетонного напорного сооружения - условная линия, ограничивающая снизу водонепроницаемые части сооружения и противофильтрационные конструкции, и отделяющая эти части от водопроницаемого грунта, служащего его основанием.

Пористость общая скальной породы в образце и в массиве - совокупность всех пор и трещин (исключая трещины с минеральным заполнителем типа кварца, кальцита и др.), численно равная объему всех пор и трещин в единице объема породы.

Путь сосредоточенной фильтрации - участок горных пород, проводящий через себя значительный объем фильтрационного расхода воды данного (рассматриваемого) скального массива.

Скорость фильтрации - воображаемая (условная) скорость движения фильтрующейся в грунте жидкости, равная отношению ее расхода в данном живом сечении к полной площади этого сечения.

Сплошная среда - модель, в которой предполагается условно, что жидкость движется не только в порах или трещинах, но и через твердую фазу пористого трещиноватого тела.

Среда анизотропная (изотропная) в отношении водопроницаемости - среда, в любой точке которой коэффициент фильтрации (удельное водопоглощение) зависит (не зависит) от направления фильтрации.

Среда неоднородная (однородная) - среда, в которой коэффициент фильтрации (удельное водопоглощение) зависит (не зависит) от координат области фильтрации.

Среда кусочно-однородная - среда, состоящая из однородных по водопроницаемости участков, на границах которых коэффициент фильтрации изменяется дискретно.

Суффозионный грунт - грунт, внутри которого или на его внешней границе под воздействием фильтрации могут возникать (при определенных критических скоростях фильтрации) опасные фильтрационные деформации, т.е. перемещение частиц грунта, ведущее к опасным деформациям скелета грунта и недопустимому снижению его несущей способности.

Суффозионная устойчивость - сохранение частицами грунта своего первоначального положения при воздействии на них фильтрационного потока.

Турбулентная фильтрация - движение фильтрующей жидкости со скоростью, пропорциональной градиенту напора в степени меньше единицы.

Фильтрационный поток - поток фильтрующейся в грунте жидкости.

Фильтрация - движение жидкости в пористо-трещиноватой среде скальных грунтов или пористой среде нескальных грунтов.

Принятые обозначения

Условные обозначения, единицы измерения

В работе используются следующие обозначения физических величин:

Н - напор, Па;

Р - давление, Па;

r - радиус выработки и цилиндрического канала, м;

d - раскрытие трещины, м;

S - понижение или повышение уровня при откачке или нагнетании, м;

М - мощность водоносного горизонта, м;

R - радиус влияния, м;

h - глубина середины интервала опытного нагнетания (откачки) от поверхности скальных пород, м;

l - длина интервала опробования и расстояние между трещинами, м;

Q - расход воды, м³/с; л/мин; 1 л/мин = 16,67´10^-6 м³/с;

q - удельное водопоглощение, л/мин×м²;

К_ф - коэффициент фильтрации, м/с; 1 м/сут = 1,16´10^-5 м/с;

К_п - коэффициент проницаемости, м²; 1 дарси = 1,02´10^-12 м²;

Т = К_фМ - водопроводимость пласта, зоны и т.д., м²/с;

 - коэффициент пересчета, безразмерный;

K_a = q²/q¢ - коэффициент анизотропии, безразмерный;

К_д - коэффициент действительной скорости фильтрации, м/с;

u - скорость фильтрации, м/с;

u_кр - критическая скорость фильтрации, м/с;

J - градиент напора, безразмерный;

J_кр - критический градиент напора, безразмерный;

Re_к - критическое значение числа Рейнольдса, безразмерное;

А, В - гидравлические параметры шероховатости стенок трещины, м;

S* - коэффициент извилистости трещин, безразмерный;

m - динамическая вязкость воды, пуаз, Па×с; 1 пуаз = 0,1 Па×с;

v - кинематическая вязкость воды, м²/с; 1 стокс = = 1´10^-4, м²/с.

1.5. Под моделью водопроницаемости понимают схематизированное пространственное распределение величин К_ф или q, значения которых определяются гидрогеологическими или геофизическими методами. Такая модель должна характеризовать неоднородность и анизотропию массива по характеристикам водопроницаемости путем интерпретации значений К_ф или q (полученных экспериментально, а также по корреляционным связям и расчетам) на геоструктурной основе, т.е. с учетом: нарушении сплошности различных порядков в массиве; литолого-петрологических особенностей; подзон экзогенного изменения (выветривания и разгрузки естественных напряжений) пород. На практике модель водопроницаемости представляют в виде серии масштабных разрезов, срезов на различных отметках, а также специализированных карт (например, рельефа поверхности относительного водоупора с q < 0,01 л/мин), схем, таблиц и диаграмм. Рассматриваемая модель относится к разряду масштабно-понятийных.

1.6. При построении моделей водопроницаемости можно использовать два разных подхода:

- зональный способ районирования на квазиоднородные (по К_ф или q) элементы; при этом приближенно, на основе геоструктурной модели, выделяют контуры элементов, которые затем характеризуются средними (арифметическими или геометрическими) значениями водопроницаемости и их среднеквадратическими отклонениями (либо диапазоном изменений q или К_ф при заданной обеспеченности); этот способ рекомендуется использовать при малом объеме опытно-фильтрационных работ, в условиях малых выборок;

- способ изолиний значений К_ф или q рекомендуется при большом числе опытов по определению характеристик водопроницаемости; его преимущество состоит в возможности уточнения по конфигурации изолиний контуров квазиоднородных инженерно-геологических элементов и путей сосредоточенной фильтрации.

При выборе способа построения модели необходимо учитывать не только объем исходных данных определения водопроницаемости, но и весь комплекс геологической и геофизической информации о характере изучаемого разреза, что позволило бы судить о наличии в массиве резких границ раздела по показателям свойств, либо о постепенном их изменении с глубиной.

Учитывая реальную неравномерность распределения точек опытно-фильтрационных данных в массиве основания, возможно сочетание обоих способов. В этом случае интерпретацию, где это возможно, выполняют по способу изолиний, а окончательный вид модели водопроницаемости - «зональный». Последний моделирует кусочно-однородную среду - объект фильтрационных расчетов и исследований методом ЭГДА [58].

1.7. Модели водопроницаемости скальных оснований должны составляться на каждом этапе и стадии проектирования с нарастающей подробностью и обоснованностью в соответствии с рекомендуемым масштабом чертежей:

а) исходная (масштаб 1:25000 - 1:5000); предпроектная документация: схема использования реки;

б) предварительная (1:5000 - 1:1000); предпроектная документация: ТЭО;

в) основная (1:1000); проект;

г) уточненная (1:1000 - 1:500 и крупнее); рабочая документация.

В качестве основы каждой из перечисленных выше моделей водопроницаемости следует принимать соответствующую геоструктурную модель основания, исходя из обусловленности характеристик фильтрационных свойств скальных массивов основными особенностями геологического строения и историей их развития. Таким образом, составленная на каждой стадии изысканий модель водопроницаемости должна учитывать соответствующую этой стадии информацию о структуре массива, результаты обобщения материалов для оснований-аналогов, данные опытно-фильтрационных и геофизических работ, возможных расчетов водопроницаемости по параметрам трещиноватости, режимных наблюдений за фильтрацией в период разработки подземных выработок и котлована.

Строгое нормирование объемов гидрогеологических работ, необходимых для построения моделей водопроницаемости на всех стадиях проектирования, невозможно в силу индивидуальных особенностей состава, строения и состояния каждого массива. В качестве основного принципа при установлении необходимого объема работ должно быть условие обеспечения репрезентативности выборки характеристик водопроницаемости в пределах квазиоднородного элемента модели.

Исходную модель рекомендуется составлять, используя аналоги и результаты геофизических работ. Рекомендуемые ориентировочные объемы опытно-фильтрационных работ по стадиям проектирования показаны в табл. 2-2 (Приложение 2).

1.8. При составлении моделей водопроницаемости скальных массивов необходимо учитывать их особенности как среды зонально-блочного строения:

а) все естественные скальные массивы представляют собой дискретную¹, расчлененную трещинами среду зонально-блочного строения, преимущественно трансверсально-изотропного типа с осесимметричной анизотропией (слоистые, сланцеватые и расслоенно-трещиноватые породы), либо ортотропного типа (интрузивные и глубокометаморфизованные нерасслоенные породы с четко выраженными ортогональными системами трещин);

¹ Дискретная среда - неоднородная, с резкими изменениями характеристик свойств в соседних структурных элементах, в частности, сложенная из отдельностей, не связанных между собой значительными силами сцепления. Сцепление отдельностей на один - два порядка меньше сцепления той же породы в монолитном образце, а водопроницаемость такой среды - на два и более порядка выше, чем в образце.

Дискретность среды по одной из характеристик свойств не всегда сопровождается дискретностью среды по другим характеристикам.

б) в каждом скальном массиве присутствует пространственная сеть тектонических разрывных нарушений и трещин разных размеров, обычно характеризующихся линейно-плоскостной формой развития. Располагающиеся в ячеях этой сети блоки пород имеют различные размеры, форму и ориентацию. Такое повсеместно проявляющееся в массивах любого генезиса сочетание сети зон ослабления с расположенными в ее ячеях блоками позволяет считать зонально-блочное строение (рис. 1) характерной особенностью скального массива;

Рис. 1. Генетические объемные элементы геоструктурной модели скального массива (а) и схема зонально-блочного строения (б)

в) мощность зон местного ослабления пород в массиве зависит от генезиса, размеров и кинематики образования трещин и тектонических разрывных смещений, развивающихся унаследованно по фазам тектогенеза. Первичные литогенетические трещины пород при тектонических деформациях трансформируются по-разному. При изучении и структурном анализе трещиноватости необходимо учитывать доминирующее влияние именно тектонических воздействий, определяющих их порядок (табл. 2);

Таблица 2

Классификация по характеру нарушения сплошности массива (СНиП 2.02.02-85 с дополнениями)

Примечания: 1. Мощность зоны влияния нарушения оценивается на порядок больше мощности зоны дробления или ширины трещины; амплитуда смещения разломов - на порядок меньше протяженности нарушения.

2. Классификация носит приближенный (оценочный) характер; конкретный массив может характеризоваться местной системой разрывов, соотношение зоны дробления и протяженности нарушения которого может отличаться от классификационной характеристики.

г) генетические объемные элементы массива (рис. 2), квазиоднородные по генезису, литолого-петрологическому составу, структуре, текстуре и блочности, именуются структурно-петрологическими элементами (СПБ - структурно-петрологическими блоками, СПЗ - структурно-петрологическими зонами);

д) части СПБ и СПЗ, квазиоднородные и по состоянию, именуются соответственно инженерно-геологическими блоками (ИГБ) и зонами (ИГЗ). Выделение контуров ИГБ и ИГЗ проводится по границам их градаций (А, Б, В и Г) по степени влияния процессов разгрузки и выветривания: подзона А - очень сильного (до элювия), Б - сильного, В - среднего, Г - слабого (практически сохранные породы). Поэтому при составлении модели водопроницаемости массивов систематизация, анализ и интерпретация данных опытно-фильтрационных работ должны производиться с обязательным учетом контуров СПЗ, СПБ, ИГЗ и ИГБ на основе геоструктурной модели [18, 48].

Рис. 2. Схема зонально-блочного строения скальных массивов в основаниях сооружений

А, Б, В, Г - подзоны влияния процессов разгрузки естественных напряжений и выветривания: А - очень сильного (элювий); Б - сильного; В - среднего; Г - слабого (сохранные породы).

Все СПБ, СПЗ, ИГБ и ИГЗ скальных массивов состоят из элементарных породных блоков (ЭПБ), формы, размеры и укладка которых определяются пространственной сетью блокообразующих трещин - элементарных зон ослабления пород (ЭПЗ).

1.9. Движение подземных вод в трещинно-пористой (а также трещиной, либо трещинно-трещинной) среде, какой является любой скальный массив, имеет следующие закономерности, подлежащие учету при составлении модели водопроницаемости:

а) неоднородность и анизотропия скальных массивов как естественно-исторических образований обусловливают, в частности, неоднородность и анизотропию по характеристикам водопроницаемости; фильтрационная неоднородность скальных массивов проявляется в контрастности, в резком повышении водопроницаемости в зонах тектонических разрывных нарушений, ориентация которых может благоприятствовать развитию сосредоточенных путей фильтрации с турбулентным режимом, а не с ламинарным - характерным для остальных частей массива с мелкой и общей трещиноватостью. Выявление и характеристика водопроницаемости таких зон в основаниях плотин является первостепенной задачей изысканий. Необходимо также иметь в виду редкие, но возможные случаи, когда тектонические нарушения являются барражами для подземных вод;

б) направление, скорость и режим фильтрации зависят от элементов залегания пород, ориентации пространственной сети трещин, геометрических параметров трещин, степени выветрелости пород, состава заполнителя трещин и др. в сочетании с положением основной дрены (реки) в рельефе участка гидроузла. При заполнении водохранилища направление, скорость и режим движения подземных вод в зоне фильтрационного контура изменяются;

в) в трещинно-пористой (а также трещинной, либо трещинно-трещинной) среде скальных массивов фильтрация происходит в основном по трещинам, так как сами породы в куске или элементарном породном блоке (ЭПБ) обладают, как правило, низкой межгранулярной пористостью и малой водопроницаемостью. В скальном массиве встречаются разновидности пород разной прочности, разной степени деформированности и трещиноватости, существенно различающиеся и по водопроницаемости.

Системный характер трещиноватости скальных массивов обусловливает следующие три основные схемы фильтрации по трещинам.

Первая схема рассматривает фильтрацию по протяженным трещинам напластования слоистых и расслоенных толщ пород, каждый пласт которых рассечен двумя ортогональными системами трещин отрыва. Частота трещин отрыва примерно обратно пропорциональна мощности пласта. Эта схема характерна для массивов осадочных и метаморфических парапород, а также для крупных по размерам массивов интрузивных и метаморфических ортопород, в которых обычно развиты пологие протяженные трещины пластовой отдельности. Такие массивы обычно анизотропны по характеристикам водопроницаемости.

Вторая схема рассматривает фильтрацию по прерывистым кулисообразным пологим трещинам пластовой отдельности, расчлененным по нормали к ней тремя системами первичных контракционных трещин отрыва, образующих в плане шестиугольник базальтической отдельности. Такая схема характерна для молодых и современных эффузивов, не подвергавшихся постгенетическим тектоническим деформациям. Водопроницаемость таких массивов может быть сильной и очень сильной (в соответствии с классификацией табл. 1).

Третья схема представляет собой сочетание первой или второй схемы с дополнительными трещинами отрыва и скалывания, образующими примерно симметричную зону приразрывного кливажа вдоль плоскостей сместителя тектонических разрывных нарушений. Тектонические зоны включают: 1) подзону сместителя с глинкой трения, зачастую слабоводопроницаемую; 2) подзоны разлинзования, водопроницаемые; 3) подзоны оперения, обычно сильноводопроницаемые. Мощность этих подзон пропорциональна амплитуде тектонических разрывных смещений в соответствии с их порядками (табл. 2).

Необходимо учитывать, что в результате избирательного влияния процессов выветривания и разгрузки естественных напряжений каждая из указанных трех схем может усложниться за счет дополнительного раскрытия ранее существовавших трещин, а также образования новых в подзонах А, Б, В на глубину в несколько десятков метров, реже - 100 м и более (Приложение 1).

Рассмотренные упрощенные три схемы для конкретных условий могут подразделяться на подварианты, учитывающие различные граничные условия, морфологию и размеры трещин, состав и степень заполнения трещин, наличие водоупорных прослойков и контактов и др.

1.10. Для изучения водопроницаемости скальных массивов в основаниях гидротехнических напорных сооружений следует использовать полевые методы гидрогеологических исследований:

а) опытные откачки и нагнетания воды, нагнетания воздуха в одиночные буровые скважины в интервалы стандартной длины равной 5 или 10 метрам; выполнение этих работ регламентируется ГОСТ 23278-78, а также указаниями и инструкциями, разработанными в Гидропроекте им. С.Я. Жука [25, 43, 52, 57];

б) наблюдения за режимом подземных вод, позволяющие с большой достоверностью судить об эффективной водопроницаемости массива и его отдельных частей, о наличии в массиве зон повышенной проницаемости; гидрогеологические наблюдения в процессе проходки скважин и штолен, дающие полезную качественную информацию об относительной водопроницаемости различных частей массива, о наличии в нем путей возможной сосредоточенной фильтрации;

в) геофизические исследования в скважинах, между скважинами и на дневной поверхности (Приложение 2).

1.11. Возможность суффозии нескальных грунтов, заполняющих полости трещин и карстовые полости, оценивается по результатам лабораторных исследований физико-механических свойств материала заполнителей и его фильтрационной прочности в соответствии с Руководством, подготовленным во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева [56].

На стадии рабочего проектирования при составлении уточненных моделей водопроницаемости основания рекомендуется использовать результаты гидравлического опробования буровых скважин первой очереди, выполняемых Гидроспецстроем или другими организациями при устройстве противофильтрационных завес.

2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ И ИХ АНАЛИЗ

2.1. Достоверность значений q и К_ф и соответствие методики проведения опытов требованиям нормативно-методических документов [25, 43, 52, 57] следует оценивать по материалам первичной документации опытно-фильтрационных работ. Не соответствующие этим требованиям дефектные данные опытов необходимо исключить из дальнейшего рассмотрения. Результаты правильно проведенных опытов, сильно отличающиеся от фоновых значений водопроницаемости (на несколько порядков), должны учитываться, даже если они выходят за интервал «Трех сигм» (трех среднеквадратичных отклонений). Такие экстремальные величины характеристик К_ф или q обычно находят свое объяснение в структурных особенностях изучаемого массива и отображаются в контурах элементов модели водопроницаемости.

Рис. 3. К оценке коэффициента перехода от удельного водопоглощения q к коэффициенту фильтрации К_ф (по данным Л.Н. Ткаченко, А.М. Гуреева, В.В. Каякина, И.А. Пирогова)

1 - диабазы, граниты; 2 - песчано-глинистые отложения; 3 - известняки, доломиты; 4 - граниты (Красноярская ГЭС); 5 - кристаллические сланцы (Саяно-Шушенская ГЭС); 6 - долериты (Братская, Усть-Илимская ГЭС); 7 - известняки (Чарвакская ГЭС); 8 - известняки (Токтогульская ГЭС); 9 - флиш (Курпсайская, Нурекская ГЭС).

2.2. Основной объем определений водопроницаемости (q) в массиве выполняется методом нагнетаний (наливов) воды в скважины, а одиночные (контрольные) поинтервальные откачки позволяют находить значения К_ф. Для каждого объекта исследований рекомендуется устанавливать методом парной корреляции связь lgК_ф = f(lgq). Для приближенных оценок можно использовать данные рис. 3, либо принимать примерное равенство численных значений q (л/мин) и К_ф (м/сут). Согласно СНиП 2.02.02-85 величина отношения К_ф/q = 0,5¸3,0. Обобщающие графики (рис. 3, кривые 1 - 3), составленные по данным больших выборок (сотни значений), дают отношение К_ф/q = 1,0¸4,5 в диапазоне q = 0,001¸10 л/мин.

Рис. 4. Схема определения глубины зон опытных нагнетаний в буровые скважины от поверхности скальных горных пород в зависимости от положения стволов скважин относительно рельефа

Б. С. (60°) - ствол буровой скважины с наклоном 60°; вертикальные пунктиры - глубины границ интервалов опытных зон от кровли скальных пород.

Модель водопроницаемости следует составлять на основе значений К_ф либо q. Если модель строится по значениям К_ф, то имеющиеся величины q необходимо пересчитать в К_ф. И наоборот, К_ф следует пересчитать в q, если модель строится по величинам q.

2.3. Необходимым вспомогательным материалом для построения модели водопроницаемости служат графики q(h) и q(h_абс), либо К_ф(h) и К_ф(h_абс), где h - глубина от поверхности скальных пород по вертикали до середины интервала опробования; h_абс - абсолютная отметка середины интервала опробования. Указанные графики недостаточно строить «в целом по массиву»; необходима серия графиков раздельно для различных геоморфологических элементов (левый берег, дно долины, правый берег), различных структурно-петрологических элементов (СПЗ, СПБ) и гидродинамической зональности (п. 2.4).

Рис. 5. Принципиальная схема расчленения структурно-петрологических элементов скального основания на их инженерно-геологические части (объемные элементы-блоки) в зависимости от геоморфологических и гидрогеологических условий

I - дренированные борта каньона и их части; II - зона сезонных колебаний зеркала подземных вод в бортах; III - обводненная зона бортов и ее части; IV - обводненная подрусловая зона и ее части: П - правая; Ц - центральная; Л - левая.

График q(h) позволяет выявить влияние выветривания и разгрузки естественных напряжений на водопроницаемость. Значение h вертикальных скважин определяется по разности абсолютных отметок поверхности скальных пород и середины интервала опробования. Для скважин, пробуренных наклонно, в том числе пройденных из штолен, значения h по вертикали следует определять в соответствии с рис. 4.

График q(h_абс) позволяет выявить приуроченность зон повышенной водопроводимости (в частности, путей сосредоточенной фильтрации) к определенным абсолютным отметкам, что характерно для закарстованных оснований, районов молодого и современного вулканизма и др.

Примечание. В условиях каньонообразных или глубоко врезанных речных долин с крутыми бортами следует строить также графики q(h_^) или q(L), где h_^ - глубина по перпендикуляру от поверхности скальных пород; L - заглубление в массив по горизонтали. В указанных условиях такие графики дадут полезную информацию о влиянии выветривания и разгрузки естественных напряжений на водопроницаемость.

2.4. Водопроницаемость и режим фильтрации в различных частях скального массива зависят также от их приуроченности к одной из гидродинамических зон: а) зоне аэрации; б) зоне сезонного колебания уровня подземных вод; в) зоне полного водонасыщения; г) зоне глубинной циркуляции. При большой ширине русла реки и асимметрии долины возможна более дробная систематизация фактического материала, при условии достаточного для статистической обработки числа опытов в каждой зоне (рис. 5). Рекомендуемое обязательное разделение дренированной и водонасыщенной зон в бортах долины связано и с методическими различиями в проведении опытов в этих зонах (наливы и нагнетания).

В закарстованных массивах целесообразно разделять гидродинамические зоны по схеме Г.А. Максимовича (рис. 6), так как каждая из этих зон характеризуется своим водным режимом, наличием или отсутствием напора, положением относительно эрозионного вреза, преобладающим направлением движения, скоростью фильтрации, т.е. присущим этой зоне направлением гидрогеологического процесса.

Рис. 6. Схема гидродинамических зон карстового массива, прорезанного рекой (Г.А. Максимович, 1958 г.)

I - зона поверхностной циркуляции; II - зона вертикальной нисходящей циркуляции; IIа - подзона подвешенных вод на местных водоупорах; III - зона колебания уровня карстовых вод или переходная; IV - зона горизонтальной циркуляции; V - зона сифонной циркуляции напорных вод; VI - зона поддолинной или подрусловой циркуляции; VII - зона глубинной циркуляции.

Карстовые источники зон циркуляции: А - вертикальной нисходящей; Б - подвешенных вод; В, Д - сифонной; Г - переходной; Е - разгрузка вод зоны горизонтальной циркуляции в речные отложения.

2.5. Фактические данные опытно-фильтрационных работ целесообразно сводить в табличную форму (табл. 3), в которой помимо общепринятых сведений отмечается отнесение интервала к соответствующему структурно-петрологическому элементу (СПБ, СПЗ), а также категория представительности материала опробования массива в зависимости от принадлежности интервала опробования к одному, двум или трем различным элементам строения массива:

I категория - вся длина интервала опробования находится в пределах одного СПБ или СПЗ;

II категория - длина интервала захватывает два генетических элемента, например, СПБ и СПЗ;

III категория - интервал опробования захватывает три и более генетических элемента, например, СПБ основной породы, СПЗ - тело маломощной жилы и СПЗ - ее контакт с вмещающей породой.

Схема оценки категорий представительности значений q показана на рис. 7.

Таблица 3

Объект                                                                                 Скважина № …………………….

Разрез                                                                                   Абс. отм. устья скважины

Геоморфологический элемент                                         Угол наклона ……………………

(правый, левый берег, русло)                                            Азимут наклона …………………

Абс. отм. уровня подз. вод

Рис. 7. Схема оценки категорий (I - III) представительности данных опытно-фильтрационных работ.

2.6. Сгруппированные по СПЗ и СПБ с учетом геоморфологических, гидрогеологических условий и категории представительности значения q (или соответствующие К_ф) анализируются путем:

- построения графиков q(h) или К_ф(h) в полулогарифмическом масштабе (рис. 8);

Рис. 8. Изменение значений удельного водопоглощения q с глубиной h от поверхности скального массива в структурно-петрологическом блоке парасланцев основания Саяно-Шушенской ГЭС

1 - I категория представительности; 2 - II категория представительности; ломаными линиями соединены среднеинтервальные значения q; плавными кривыми - «скользящее» осреднение среднеинтервальных значений q.

- построения графиков q(h_aбс) или К_ф(h_aбс) в таком же масштабе;

- проверки закона распределения водопроницаемости для выделенных элементов массива и в целом по массиву; в общем случае эти распределения могут соответствовать различным законам, из которых, руководствуясь практическим опытом, целесообразно рассматривать два: нормальный и логнормальный. Используя вероятностную бумагу [35], с достаточной для практических целей точностью легко определить близость к соответствующему типу распределения: а) если распределение q аппроксимируется на вероятностной бумаге прямой, то оно близко к нормальному; б) если распределение q не аппроксимируется прямой, а распределение lgq аппроксимируется прямой, то оно близко к логнормальному (рис. 9);

Рис. 9. Нормальное (а) и логнормальное (б) распределения и их представление соответственно на вероятностной (в) и логарифмически-вероятностной (г) бумаге.

- подсчета среднеинтервальных (в диапазоне глубин Dh » 10 м, причем с возможным перекрытием, например, в диапазоне 10 - 20 м, 15 - 25 м, 20 - 30 м и т.д.) значений водопроницаемости:

для случаев нормального распределения ;

для случаев логнормального распределения ;

для случаев, когда трудно однозначно судить о характере распределения (в частности, для малых выборок), целесообразно определить как среднее арифметическое q_a, так и среднее геометрическое q_г. Аналогичные рассуждения справедливы и применительно к К_ф;

- последовательного соединения среднеинтервальных значений ломаной линией и ее последующим сглаживанием методом скользящего осреднения («сглаживание тройками» [40]). Анализ конфигурации ломаной линии по ряду графиков q(h) или q(h_aбс) может, оказаться полезным для уточнения геоструктурных построений и установления сосредоточенных путей фильтрации при построении модели водопроницаемости. Скользящее осреднение соседних трех точек с последовательным смещением на один шаг необходимо для суждения о «тренде» (систематической компоненте) изменения водопроницаемости в зависимости от h (рис. 10) или h_aбс.

Рис. 10. Изменение величин q карбонатных пород в массиве основания Ингури ГЭС в зависимости от геоморфологии долины, заглубления h в массив и типов его генетических объемных элементов

а - опытное опробование массива на высоких отметках (Н = 415¸470 м); б - то же на средних отметках (Н = 350¸415 м); в - то же на низких отметках (Н = 280¸350 м); г - массив в целом и с учетом его генетических элементов;

1 - экспериментальные значения q; 2 - среднеарифметические значения  в интервалах h; 3 - скользящее осреднение среднеарифметических значений ; 4 - среднегеометрические значения  в интервалах h; 5 - кривая среднеарифметических значений  в сохранных породах СПБ; 6 - то же в подзонах смесителей; 7 - то же в подзонах оперения тектонических смещений.

2.7. Графики q(h_aбс) или К_ф(h_aбс) позволяют анализировать влияние на современные характеристики водопроницаемости этапов врезания реки в ее ложе, выражающихся в высотном положении речных террас, с чем связано, в частности, развитие карста в карбонатных породах. Например, показанные на рис. 11 пики резкого увеличения, водопроницаемости в известняках района Чарвакской ГЭС соответствовали отметкам развития речных террас в долине р. Чирчик. Полезны такого вида графики в районах, сложенных вулканическими породами, для которых характерна сравнительно высокая водопроницаемость, особенно в краевых зонах, и ее крайне неравномерное распределение в разрезе. В массивах, сложенных другими разновидностями пород, графики q(h_aбс) способствуют выявлению субгоризонтальных и пологонаклонных зон высокой водопроницаемости. Необходимо иметь в виду, что графики q(h) и q(h_aбс) не заменяют один другого, а являются необходимым дополнением друг друга.

Рис. 11. Изменение величин удельного водопоглощения в зависимости от абсолютных отметок средних глубин опытных интервалов в известняках первой пачки нижнего карбона (C₁) на участке основания Чарвакской ГЭС

1 - интервалы с карстовыми полостями; 2 - интервалы с тектоническими нарушениями; 3 - интервалы без карстовых полостей и тектонических нарушений; 4 - осредняющая для интервалов без карста и тектонических нарушений; 5 - осредняющая для массива в целом; 6 - осредняющая для интервалов с карстом и тектоническими нарушениями.

2.8. Характер кривых q(h) позволяет ориентировочно разбить изучаемый разрез на диапазоны глубин h, где среднее значение q может быть принято приблизительно постоянны (не зависящим от h), и, следовательно, в каждом из таких диапазонов h могут быть определены средние значения водопроницаемости и среднеквадратические отклонения на основе достаточно большого статистического материала. Применительно к рис. 8 такими диапазонами глубин h могут быть:

- в породах I категории представительности: 0 - 15 м; 15 - 50 м; 50 - 100 м; ввиду сравнительно небольшого отличия значений q во втором и третьем диапазоне, они могут быть объединены при дальнейшей статистической обработке;

- в породах II категории представительности: 0 - 10 м; 10 - 75 м; 75 - 100 м.

2.9. Для обоснования проектных решений по водоотливу и строительному водопонижению котлованов рекомендуется построение плановых схем водопроницаемости (см. также п. 4.1; рис. 3 - 11). Систематизацию данных опытно-фильтрационных работ в этом случае выполняют на геоструктурной основе (плановых схемах-срезах) с использованием основных принципов, изложенных в пп. 2.1 - 2.5.

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ В СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ

3.1. В пределах глубины разведки скважинами скальных оснований плотин, обычно ограниченной величиной ~ (1¸1,5)Н (где Н - проектируемый напор), необходимо учитывать следующие закономерности:

1) осредняющие кривые q(h) для любых массивов (кроме закарстованных) характеризуются закономерным уменьшением водопроницаемости с глубиной (рис. 12) и, как правило, имеют две точки перегиба: первую, в интервале глубин 5¸50 м (для разных массивов), вторую, в интервале 70 - 150 м. Первую следует отождествлять с границей подзон выветривания и разгрузки «Б - В», вторую - «В - Г». Промежуточная часть графика, где средние значения q = const, либо слабо уменьшается с глубиной, отождествляясь с подзоной «В», служащей, как правило, основанием плотины. Таким образом, в самом упрощенном варианте моделирования подзона «В» может рассматриваться либо как однородный, либо как слабоградиентный по водопроницаемости слой. В подзоне «Г» водопроницаемость зачастую близка к величине 0,01 л/мин, которая обычно рассматривается как условный водоупор. Из опыта рудничной гидрогеологии известно, что в более глубоких горизонтах водопроницаемость может вновь увеличиться, что обусловлено структурными особенностями массива;

Рис. 12. Осредненные связи q = f(h) в скальных массивах - основаниях плотин

а - граниты; б - гранито-гнейсы, диориты, граниты; в - кристаллические сланцы; г - известняки; д - песчаники и аргиллиты

1 - граниты мелкозернистые, массив; 2 - граниты среднезернистые, массив; 3 - контакты жил; 4 - участок III; 5 - главная тектоническая зона; 6 - участок II; 7 - участок IV; 8 - участок I (основание Красноярской ГЭС); 9 - гранито-гнейсы крупноблочные; 10 - гранито-гнейсы среднеблочные; 11 - гранито-гнейсы мелкоблочные; 12 - тектонические зоны VI порядка; 13 - тектонические зоны V порядка (основание Могилев-Подольской ГЭС); 14 - диориты, массив; 15 - граниты; массив (основание Константиновского гидроузла); 16 - ортосланцы, массив; 17 - парасланцы, массив; 18 - тектонические зоны; 19 - зоны сильной трещиноватости; 20 - дайки мощностью менее 5 м; 21 - дайки мощностью более 5 м (основание Саяно-Шушенской ГЭС); 22 - известняки, массив; 23 - подзоны сместителя тектонических нарушений; 24 - подзоны оперения тектонических нарушений (основание Ингури ГЭС); 25 - известняки, массив, пачка 5; 26 - тектонические зоны (основание Чарвакской ГЭС); 27 - известняки, массив; 28 - тектонические зоны (основание Чиркейской ГЭС); 29 - песчаники и аргиллиты, массив; 30 - тектонические зоны (основание Стрыйской плотины).

2) резкое повышение водопроницаемости в зонах тектонических нарушений и в несколько меньшей степени - в зонах жильных тел интрузивных пород по сравнению с частями массива, находящимися вне их влияния. Повышенные значения водопроницаемости на участках жил получаются в том случае, если массив после внедрения жил вновь подвергался разрывным тектоническим нарушениям, причем возникающие (обновляющиеся) трещины проходили по контактам жильных тел, что наблюдается нередко. В зависимости от размеров тектонических нарушений, водопроницаемость их зон на 1 - 5 порядков больше, чем в слаботрещиноватых породах, причем максимальные величины q связаны с подзоной трещин оперения и в меньшей степени с подзоной разлинзования. Подзона сместителя зачастую маловодопроницаема в связи с наличием в ней глинки трения. Наибольшее различие водопроницаемости тектонических нарушений и незатронутых ими частей массива наблюдается в подзонах «Б» и «В», а в пределах подзоны «Г» величины q сближаются; для некоторых массивов сближение величин q отмечается и в подзоне «Б»;

3) возможное существенное различие (приблизительно на один порядок) величин q, слагающих подрусловую часть долины, по сравнению с ее бортами. Эта закономерность связана с кольматажем трещин в бортах и декольматажем тех же пород под руслом реки дренируемым ею потоком грунтовых вод. Поскольку отмеченное различие наблюдается при сравнении величин q ниже уровня подземных вод (в берегах и в русле), т.е. выполненных по единой методике, то его нельзя объяснить особенностями гидравлического опробования. В ряде случаев при сравнении водопроницаемости пород в зоне аэрации (берег) и водонасыщенных (русло) указанные различия могут быть связаны с неполной сопоставимостью данных наливов и нагнетаний. Указанная выше третья закономерность не является устойчивой: справедливая для оснований Красноярской ГЭС (граниты), Саяно-Шушенской ГЭС (парасланцы), она не была выявлена на Курпсайской ГЭС (флишевые отложения) и Папанском водохранилище (известняки) [29].

3.2. В массивах, сложенных массивными интрузивными и метаморфическими породами, могут наблюдаться следующие закономерности, которые необходимо учитывать при анализе данных опытно-фильтрационных работ:

1) при поинтервальном осреднении графиков q(h) или q(h_абс) ломаными линиями средних значений  (рис. 13) «пики» с максимальными  в толще крутопадающих слоев парасланцев соответствуют пологозалегающим трещинам отрыва, секущим эти слои; применительно к рис. 13 такие трещины были установлены на глубинах около 35, 55 и 75 м;

Рис. 13. Сопоставление графиков q = f(h) основных типов структурно-петрологических элементов скального основания Саяно-Шушенской ГЭС:

а - первая категория представительности; б - вторая категория представительности

1 - парасланцы; 2 - ортосланцы; 3 - жилы мощностью более 5 м; 4 - жилы мощностью менее 5 м; 5 - контакты жил с вмещающими породами; 6 - зоны сильной трещиноватости; 7 - зоны крутопадающих тектонических нарушений.

2) существенное повышение величин q в гранитах и гранито-гнейсах связано с системой пологозалегающих трещин пластовой отдельности, которые приоткрываются в результате разгрузки естественных напряжений в донной части долины (трещины «донного отпора»), причем особенно это заметно в зонах влияния крутопадающих тектонических нарушений. Иллюстрацией сказанного могут служить характерные изгибы кривых водопроницаемости гранитов основания Красноярской. ГЭС, гранито-гнейсов участка Константиновской плотины и Могилев-Подольской ГЭС (рис. 12);

3) сравнительно малая мощность сильноводопроницаемых пород подзоны «Б» в целом для массива, составляющая 5 - 20 м; увеличение мощности этой подзоны до 35 - 70 м на участках зон тектонических нарушений.

4) в дайках интрузивных пород отмечается сравнительно низкая водопроницаемость маломощных даек и повышенная водопроницаемость контактов даек мощностью более 5 м, характеризующихся «подорванностью» контактов.

3.3. В массивах, сложенных слоистыми толщами осадочных пород, могут наблюдаться следующие закономерности, которые необходимо учитывать при анализе данных опытно-фильтрационных работ:

1) сильно выраженное влияние процесса формирования долины на процессы разгрузки, выветривания, кольматажа трещин и т.д.; вследствие этого, построенные для различных геоморфологических элементов долины, графики q(h) могут сильно различаться. Так, график (рис. 10, в), построенный по данным опытно-фильтрационных работ в скважинах, устья которых находятся в пределах пойменной террасы и низких отметок склона, существенно отличается от графика (рис. 10, а), относящегося к массиву на высоких отметках. Пилообразные графики q(h) отражают изменчивость значений q в зависимости от мощности пластов, характера контактов между пакетами пластов малой и большой мощности. Такое явление характерно не только для карбонатных, но и для толщ обломочных пород;

2) в ритмических толщах обломочных пород отмечается повышенная водопроницаемость пакетов пластов песчаников, алевролитов и аргиллитов примерно равной, но небольшой мощности по сравнению с водопроницаемостью сравнительно однородных и более мощных пакетов песчаников. Это обусловлено тем, что в первом случае пакеты сложены более неоднородными по прочности породами, поэтому при деформациях это приводит к пластическому течению более слабых пород и растяжению и скалыванию более прочных пластов. Чем больше различие в прочности и мощности отдельных пластов или их пакетов, тем резче проявляется в них указанный характер трещинообразования. Сходная картина наблюдается и в толщах ритмически слоистых известняков;

3) массивным рифовым известнякам свойственны открытые крупные формы карстовых полостей, а в карбонатных слоистых породах наблюдается процесс расширения трещин за счет выщелачивания известняков или доломитов, или за счет доломитизации и раздоломичивания, что приводит к трещинному карсту. Следствием этого является неоднородность массива по водопроницаемости и наличие участков с повышенными значениями q даже на глубине свыше 100 - 200 м.

Например, повышенное водопоглощение в слоистой толще известняков основания Ингури ГЭС наблюдается до глубины 150 м, а мощность подзоны «Б» - до 50 м в массиве вне области влияния тектонических нарушений.

В еще более тектонически деформированных известняках основания Чарвакской ГЭС мощность подзоны «Б» достигает 100 м, средние значения q = 0,01¸1,2 л/мин. Вследствие подъема по тектоническим нарушениям глубинных термальных вод, обогащенных кремнеземом и реагирующих с известняками (реакция замещения), образуются кремнеземистые рыхлые или слабосцементированные образования («каранкулиты»), частично замещающие известняки и кольматирующие полости трещин. Установленные в бортовых частях долины карстовые полости и каверны, обусловливающие высокую водопроницаемость, приурочены к определенным уровням террас р. Чирчик (рис. 14, 15).

Влияние гидротермальных процессов, связанных с кремнистыми глубинными водами, на состояние известняков основания Чиркейской ГЭС оказалось иным: здесь они уплотнили породы и залечили многие трещины. Мощность подзоны «Б» для этого основания варьирует oт 0 до 60 м, где значение q = 0,5¸13 л/мин.

Рис. 14. График распределения повышенных значений q (q > 0,4 л/мин) по абсолютным отметкам опытных интервалов (основание Чарвакской ГЭС)

Рис. 15. Сопоставительные графики закарстованности и водопроницаемости известняков в правом борту долины р. Чирчик на участке Чарвакской ГЭС

п - количество карстовых полостей на 10 м скважины; q - удельное водопоглощение, л/мин.

3.4. В скальных массивах любого генезиса зоны повышенной водопроницаемости нередко ассоциируются или перемежаются с приоткрытыми в разной степени полостями трещин или карстовыми полостями, заполненными минеральным материалом, способным к химической или механической суффозии при соответствующих гидравлических условиях. Такие зоны следует рассматривать как пути сосредоточенной фильтрации и возможной суффозии заполнителя. Выявление таких зон - первостепенная задача изысканий и исследований, которую необходимо ставить на самых ранних стадиях проектирования. При ее решении следует учитывать характерные признаки и приуроченность этих зон в ряде случаев к тем или иным структурным элементам массива.

Геоструктурные признаки:

- стыки и пересечения зон тектонических нарушений разных порядков;

- зоны тектонических нарушений разных порядков, ориентированные как согласно с залеганием пород, так и секущие под различными углами;

- основание сложено массивными, жесткими породами;

- основание сложено слоистыми или расслоенными породами с чередованием пластов или пакетов пластов различной прочности;

- основание сложено закарстованными породами;

- мелкие складки волочения и зоны будинажа;

- жильные тела различной мощности и их контакты;

- гидротермальные и гидратогенные жилы, обычно сложенные кальцитом; в процессе разгрузки и выветривания такие жилы нередко выщелачиваются;

- протяженные трещины бортового отпора, отседания и тыловых швов оползней.

Гидрогеологические признаки:

- повышенные и максимальные величины q и К_ф, полученные при опытных нагнетаниях воды и воздуха, а также при откачках;

- максимальные значения среднеинтервальных значений q на графиках q(h_абс);

- выходы источников и значительный их дебит;

- аномалии в поведении уровней грунтовых или подземных вод в пьезометрах наблюдательной сети;

- аномалии в температуре и химическом составе подземных и грунтовых вод с открытым зеркалом.

Перечисленные выше, а также некоторые особые признаки (например, провалы бурового снаряда, аномальный расход промывочной жидкости при бурении) должны быть учтены при анализе материалов гидрогеологических и геофизических работ, в том числе специально предназначенных для исследования сосредоточенных путей фильтрации (индикаторные методы, метод естественного электрического поля, геофизические исследования между скважинами и др.). Необходимо учитывать, что суффозионная устойчивость заполнителя трещин в основном определяется параметрами фильтрационного потока. Решение вопроса о суффозии заполнителя трещин и тектонических зон возможно лишь на основе специальных полевых и лабораторных исследований (о некоторых из них говорится в Приложениях 1 и 2). Для предварительного суждения о зонах возможной суффозии можно использовать следующие геологические характеристики:

1) Мощность тектонических зон и полостей трещин, содержащих суффозионно-неустойчивый заполнитель: а) мощность зоны измеряется метрами - очень опасно; б) то же - дециметрами - опасно; в) то же - сантиметрами - слабо опасно; г) то же - миллиметрами - практически не опасно. При этом следует учитывать ориентировку зон по отношению к фильтрационному потоку и сооружению, а также число и частоту развития нарушений сплошности.

2) Содержание суффозионно-неустойчивого материала заполнителя полостей тектонических нарушений и трещин: а) большое количество суффозионно-способного материала: вынос частиц может привести к развитию турбулентного режима фильтрации; б) среднее количество; вынос заполнителя увеличивает водопроницаемость на 1 - 2 порядка величины q; в) малое количество; вынос материала может повысить водопроницаемость в несколько раз. Классификация заполнителя по этому признаку производится по гранулометрическому составу образцов пород, взятых в горных выработках или скважинах.

Признаком закольматированности трещин в зонах выветривания и разгрузки скальных пород могут служить низкие значения q » 0,01¸0,1 л/мин на фоне величин q > 1 л/мин. Геологическими наблюдениями рекомендуется также оценивать степень заполнения полости трещин рыхлым материалом и его плотность.

Полевые методы приближенной оценки проявления суффозии [22, 27, 42] сводятся к специальной схеме опытных нагнетаний по нарастающей величине напора, а затем по той же системе убывающего напора. По характеру гистерезисных кривых q(H) судят о наличии суффозии, признаком которой является повышение водопроницаемости на кривой убывающего напора. Такие исследования на Константиновском гидроузле дали следующие результаты: 23 % опытов обнаружили признаки небольшой суффозии. При этом после максимальных напоров до 0,9 МПа значения водопроницаемости увеличились в 2 - 4 раза. Суффозионно-неустойчивые каолины изучаемого основания характеризовались быстрой размокаемостью, большой неоднородностью по гранулометрическому составу (К_н = 15¸300), числом пластичности от 0,05 до 0,17. Необходимо отметить также, что в пределах одного тектонического нарушения наиболее вероятно начало процесса суффозии в подзоне разлинзования нарушения, являющейся переходным элементом между подзонами сместителя и оперяющих разлом трещин.

Лабораторные и специальные методы исследования суффозии заполнителя трещин подробно освещены в литературе [20, 22, 26, 32, 33, 42, 56].

Более подробно вопрос о путях сосредоточенной фильтрации и их особенностях в массивах различного литолого-петрологического состава и при разных структурно-тектонических условиях изложен в Приложении 3.

4. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ

4.1. В соответствии с п. 1.5 исходным материалом для составления модели водопроницаемости должна служить геоструктурная модель в виде серии вертикальных разрезов, погоризонтных срезов, а также специализированных карт и схем. Карта фактического материала позволяет оценить распределение по площади скважин, в которых выполнены опытно-фильтрационные работы. Руководствуясь ею, для построения модели водопроницаемости следует выбрать те геоструктурные разрезы, которые максимально обеспечены фактическими данными фильтрационного опробования. Скважины, расположенные по обе стороны от линии соответствующего разреза, могут быть использованы на этом сечении (путем сноса) лишь при необходимом геоструктурном обосновании идентичности разреза скважины и ее проекции на рассматриваемое сечение.

На выбранные сечения следует нанести уровень подземных вод и стволы скважин с интервальными значениями q, а также характеристики водопроницаемости, определенные геофизическими и другими методами. На разрезе желательно отразить также: аномальную изменчивость минерализации и температуры вод; возможные данные о закольматированности трещин (например, по результатам фото-телевизионного каротажа); степени закарстованности карбонатных пород и другую вспомогательную информацию, косвенно связанную с гидрогеологическими особенностями массива.

4.2. Отбор, систематизацию и статистическую обработку данных опытно-фильтрационных работ, а также построение графиков q(h), q(h_абс) следует выполнять, руководствуясь пп. 2.1 - 2.8 настоящей Методики. При этом исходным материалом должны служить таблицы опытно-фильтрационных работ, в которых каждый интервал опробования отнесен к соответствующему СПБ или СПЗ и указана категория представительности (п. 2.4); эта «привязка» каждого интервала опробования к тому или иному структурно-петрологическому элементу (СПЭ) осуществляется на основе всестороннего анализа материалов инженерно-геологических изысканий.

На основе такой обработки делают заключение о:

1) характере и законе распределения (нормальном или логнормальном) значений водопроницаемости для массива в целом и для отдельных его инженерно-геологических элементов (рис. 1), квазиоднородных по литолого-петрологическому составу, строению и состоянию; величинах средних значений (, ) и среднеквадратичных отклонений (, );

2) характере графиков q(h) и q(h_абс), построенных раздельно для основных геоморфологических элементов долины (например, для левого берега, дна долины и правого берега) и с учетом:

а) различных структурно-петрологических элементов (СПБ и СПЗ, значения q в которых наносят на график разными значками и обрабатывают раздельно);

б) различных гидродинамических зон в массиве (п. 2.4), для чего на шкале h_абс графиков q(h_абс) можно показать диапазон отметок уровня подземных вод, зоны сезонного колебания этого уровня и т.д.;

3) характере изменения средних значений  на графиках q(h) или q(h_абс); шаг осреднения чаще всего выбирается 5 м или 10 м (если при шаге осреднения 5 м есть интервалы с числом точек менее 5¸7, то лучше использовать шаг 10 м пятиметровым перекрытием: 5 - 15 м, 10 - 20 м, 15 - 25 м и т.д.).

4.3. Анализ данных статистической обработки значений водопроницаемости на геоструктурной основе с целью выявить существенно различные по водопроницаемости структурно-петрологические элементы, а также объединить (укрупнить) те элементы разреза, где различие значений q и s_q в соседних элементах разреза незначительное. Для таких укрупненных элементов средние значения водопроницаемости и среднеквадратичные отклонения следует определять на общем материале объединяемых выборок, что снижает ошибку среднего значения и абсолютную величину среднеквадратичного отклонения. Возможны различные способы моделирования по водопроницаемости, в частности, зональный и с использованием изолиний значений q или К_ф. Укрупненные СПБ и СПЗ, наделенные значениями q_а,г и s_{q а,г}, являются элементами зонального районирования (п. 1.6). Примеры фрагментов таких моделей составлены В.В. Каякиным и А.И. Каякиной [29] на ряде объектов гидростроительства в Средней Азии (рис. 16). Зональный способ районирования является достаточно простым для исполнения. Другое его преимущество - в практическом удобстве непосредственного использования при расчетах и физическом моделировании. Наряду с этим необходимо отметить, что достоверность модели водопроницаемости и контуров выделенных элементов во многом определяется достоверностью геоструктурной модели. Следовательно, если в силу недоразведанности основания, либо неоднозначности в интерпретации, на геоструктурной модели будут пропущены структурные элементы, обусловливающие высокие значения q и К_ф, то и модель водопроницаемости будет искажена, либо вместо пути сосредоточенной фильтрации на модели будет укрупненный элемент, характеризующийся малозаметным повышением q и s_q.

Другой недостаток зонального способа состоит в замене градиентного характера разреза водопроницаемости (например, в зоне поверхностного выветривания и разгрузки) на квазиоднородный или слоисто-однородный.

Отмеченные недостатки можно в ряде случаев избежать, если помимо зонального способа, в дополнение к нему, использовать способ изолиний. При большом числе фильтрационных опытов в массиве (порядка 500 - 1000 и более), обеспечивающих характеристику водопроницаемости основания в разрезе и в плане для основных генетических элементов, способ изолиний можно рекомендовать как альтернативу зональному.

Рис. 16. Фрагменты моделей водопроницаемости

а - известняков основания Токтогульской ГЭС; б - флишевых отложений основания Курпсайской ГЭС (по В.В. Каякину, А.И. Каякиной [29])

1 - тектонические разрывы; 2 - крупные трещины разгрузки; 3 - уровень подземных вод; 4 - границы квазиоднородных по водопроницаемости участков: средние значения q (л/мин) и К_ф (м/сут); 5 - ; К_ф = 0,003; 6 - 0,01; 0,01; 7 - 0,04; 0,04; 8 - 0,15; 0,1; 9 - 0,3; 0,2; 10 - 0,02; 0,01; 11 - 0,1; 0,05; 12 - 0,2; 0,15; 13 - 0,6; 0,5; 14 - контур двухрядной цементационной завесы; 15 - контур однорядной цементационной завесы.

4.4. В способе изолиний модель водопроницаемости представляется в виде поля линий равных значений q или К_ф. Для проведения изолиний используются все данные опытно-фильтрационных работ, значения водопроницаемости по результатам геофизических исследований, а в промежутках между скважинами можно привлекать средние и модальные величины q, во-первых, снятые с трафиков q(h) и q(h_абс) для соответствующего структурного элемента, а во-вторых, полученные на основе корреляционных связей или рассчитанные по параметрам трещиноватости. В способе изолиний можно реализовать следующую последовательность операций (в разделе 6 она иллюстрируется примером основания Ингури ГЭС):

а) проведение изолиний значений q путем формальной интерполяции данных опытно-фильтрационных работ на упрощенной структурной основе (слоистой модели) с границами подзон А, Б, В, Г без учета других особенностей геологического строения основания («формализованный вариант I» - см. рис. 25);

б) проведение изолиний значений q с учетом лишь повышенной водопроницаемости тектонических нарушений («формализованный вариант II» - см. рис. 26), используя в соответствии с геоструктурной моделью контуры этих нарушений;

в) интерпретация, объединяющая «формализованные варианты I и II», и по возможности, с полным учетом особенностей геоструктурной модели (в том числе мелких зон учащенной трещиноватости в контактах ритмов разной мощности и прочности и др.) - вариант III - см. рис. 27; необходимо отметить, что вариант III должен учесть также все имеющиеся геофизические данные о водопроницаемости массива, а основные контуры модели водопроницаемости не должны противоречить контурам геофизической (сейсмогеологической, геоэлектрической) модели скального основания;

г) схематизация и генерализация контуров модели III варианта с целью упрощения и получения модели водопроницаемости для фильтрационных расчетов и физического моделирования (вариант IV - см. рис. 28).

При составлении модели водопроницаемости необязательно последовательное и раздельное выполнение перечисленных операций по составлению вариантов I - III. Инженер-геолог или гидрогеолог, имеющий опыт составления модели водопроницаемости, может, минуя варианты I - II, в ходе построения III варианта в комплексе учесть особенности конфигурации изолиний q, связанные с подзонами выветривания и разгрузки, а также с основными и мелкими тектоническими нарушениями.

4.5. На всех методических этапах построения модели водопроницаемости необходимо учитывать закономерности изменения характеристик q и К_ф, изложенные в п.п. 3.1 - 3.4. настоящей Методики. Особое внимание следует уделять выявлению и отражению в модели водопроницаемости путей сосредоточенной фильтрации и возможной суффозии заполнителя. Рекомендуется яркой раскраской (красный, синий цвета) показывать на разрезах и срезах пути сосредоточенной фильтрации и содержание суффозионно-неустойчивого материала в трещинах (см. Приложение 3).

4.6. На начальных стадиях изысканий и исследовании до проведения опытно-фильтрационных работ (или в условиях единичного числа такого опробования) и гидрогеологических исследований методами геофизики для характеристики ожидаемой водопроницаемости основных элементов исходной и предварительной моделей рекомендуется использовать (в комплексе или раздельно);

а) данные «косвенных» геофизических, в частности, сейсмических методов разведки (см. Приложение 2);

б) опыт предшествующих исследований оснований-аналогов, геологическое подобие которого с изучаемым объектом устанавливается по ряду факторов (типа породы и ее минерального состава; геологической истории района и структурно-тектонической обстановки; состояния пород; условий залегания пород, в частности ориентировка элементов структуры относительно долины реки; характера современного рельефа и геоморфологических особенностей);

в) расчетный метод определения водопроницаемости по параметрам трещин, получивший развитие в работах Е.С. Ромма, М.В. Раца, С.Н. Чернышева, Н.Б. Ивановой, К. Льюи, B. Витке и др. В настоящее время для целей инженерной геологии скальных массивов рекомендуется метод М.В. Раца, C.Н. Чернышева и Н.Б. Ивановой с реализацией расчетов на ЭВМ. В связи с тем, что этому методу посвящено специальное руководство [59], в настоящей Методике он не рассматривается. Несмотря на ряд ограничений, проанализированных А.А. Варгой [7], и приближенность расчетных методов, их несомненное достоинство заключается в возможности оценки К_ф в любом направлении.

4.7. Дальнейшее совершенствование методики составления инженерно-геологической модели водопроницаемости связано с развитием следующих направлений:

1) геоструктурного и геофизического моделирования;

2) методов и методик гидрогеологических и геофизических исследований;

3) аналитических методов оценки водопроницаемости по параметрам трещиноватости;

4) решения обратных задач фильтрации методами математического и физического моделирования с более широким использованием описанных в Методике моделей водопроницаемости;

5) сопоставительного анализа результатов расчетов и физического моделирования и натурных наблюдений за основаниями сооружений в период строительства и эксплуатации.

5. ОЦЕНКА НЕОДНОРОДНОСТИ И АНИЗОТРОПИИ МАССИВА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ

(Фильтрационной неоднородности и анизотропии)

5.1. Неоднородной называется среда, свойства которой в различных точках различны; в частности, для неоднородной по водопроницаемости среды значения q и К_ф являются функциями координат. Фильтрационная неоднородность скальных оснований плотин обусловлена неоднородностью и трещиноватостью слагающих их горных пород. База опытно-фильтрационного опробования (5 - 10 м) соизмерима с конструктивными или технологическими элементами сооружений (секций, блоков бетонирования и т.д.), т.е. значения q и К_ф могут быть использованы непосредственно для характеристики фильтрационной неоднородности массива как основания плотины в пределах одного масштабного уровня. Фильтрационная неоднородность выражается в широком разбросе значений q и К_ф (3 - 5 порядков) даже в выборках, характеризующих водопроницаемость объемных частей массива однородных по сумме геологических признаков пород, т.е. отвечающих понятию «инженерно-геологический элемент» [12]. Существующие классификации фильтрационной неоднородности пород [32, 41 и др.], использующие в качестве критерия неоднородности среднеквадратичное отклонение логарифма водопроводимости s_{1g Т}, либо коэффициент изменчивости (вариации) V_Т, , оказались малопригодными при оценке неоднородности скальных оснований плотин, поскольку не только большинство оснований, но и их квазиоднородные по строению и состоянию элементы в соответствии с этими классификациями можно отнести лишь к одному классу - крайне неоднородных. Это объясняется тем, что указанные классификации в качестве объекта исследований рассматривали в основном пористые среды (зернистые, связные и сцементированные), где весь классификационный диапазон составил: s_{1g Т} = 0,1¸0,75; V_Т = 40¸150 %;  = 25¸200 %.

Таблица 4

Водопроницаемость и характеристики неоднородности основных типов генетических объемных элементов скальных массивов

5.2. Для сравнительной оценки неоднородности по водопроницаемости основания и его элементов рекомендуется использовать величины среднеквадратичных отклонений распределения q, т.е. , , а также коэффициент вариации  (при нормальном распределении величин q). Характерный диапазон этих величин приведен в табл. 4. В качестве классификационного критерия неоднородности рекомендуется отношение / (табл. 5). Это отношение функционально связано с дисперсией логнормального распределения [62]:

/ = ехр (2,651 lgs_г²).                                                    (3)

К сожалению, использование коэффициента вариации в качестве классификационного критерия невозможно, так как при логнормальном распределении коэффициент вариации  теряет свой смысл, поскольку при q®1 ®¥.

Таблица 5

Классификация фильтрационной неоднородности скальных массивов, их частей и элементов

* Конкретное значение Р выбирается, исходя из решаемой задачи и стадии проектирования гидроузла.

5.3. Величины, необходимые для оценки неоднородности основания и его частей, наиболее просто получить с помощью вероятностной бумаги [35]. Этапы этой обработки следующие:

1) выборку в упорядоченной (ранжированной) форме нарастающего ряда величин q наносят на вероятностную бумагу (рис. 17), ордината у которой всегда в логарифмическом масштабе, а абсцисса может быть в нормальном масштабе (для аппроксимации прямой в этом масштабе кумулятивной кривой нормального распределения), либо - в логарифмическом масштабе (для аппроксимации прямой в этом масштабе кумулятивной кривой логнормального распределения); таким образом, с достаточной для практики точностью определяют тип распределения (нормальный или логнормальный);

2) в случаях нормального или логнормального распределения q соответствующие средние значения считываются со шкалы абсцисс от точки пересечения аппроксимирующей прямой с ординатой Р = 50 %; а среднеквадратичные отклонения s определяются соответственно:

 = 0,5(q₈₄ - q₁₆),                                                               (4)

 = 0_>5[(lgq)₈₄ - (lgq)₁₆],                                                     (5)

где q₈₄ и q₁₆ - соответственно 84 %-ые и 16 %-ые квантили нормального распределения q_a, снимаемые с вероятностной бумаги, абсцисса которой имеет нормальный масштаб; (lgq)₈₄ и (lgq)₁₆ - соответственно квантили логнормального распределения q_г, снимаемые с вероятностной бумаги, абсцисса которой имеет логарифмический масштаб. Величины параметров, снимаемых с вероятностной бумаги, получаются в потенциированном виде.

Рис. 17. Примеры распределения значений q на вероятностной (а) и логарифмически-вероятностной (б) бумаге:

а - известняки основания Ингурской ГЭС (зоны тектонических нарушений), выборка № 21; б - парасланцы вне зон тектонических нарушений - основание Саяно-Шушенской ГЭС, выборка № 1

1 - интервал глубин H = 0¸15 м; 2 - Н = 15¸35 м; 3 - Н = 35¸75 м; 4 - Н = 75¸100 м; 5 - Н = 0¸100 м (в целом); [17].

5.4. Фильтрационную неоднородность инженерно-геологических элементов рекомендуется учитывать путем дифференцированного подхода при определении расчетных характеристик водопроницаемости. Как показывает опыт, для большинства скальных массивов и их элементов характерно логнормальное распределение значений q и К_ф. Определяемое для такой выборки среднее значение , отвечающее Р = 50 % доверительной вероятности, как правило, значительно ниже величины  для той же выборки. Вместе с тем СНиПы II-16-76 и 2.02.02-85 рекомендуют в качестве расчетных значений водопроницаемости принимать . Встречающиеся в практике гидростроительства случаи повышенных против прогнозируемых потерь на фильтрацию скальных оснований также свидетельствуют о целесообразности повысить требования к уровню доверительной вероятности расчетных значений водопроницаемости при логнормальном распределении величины q. Повышение уровня Р в таких случаях целесообразно в пределах 50 - 90 %, т.е. в рамках реально определяемых среднеарифметических значений тех же выборок. Рекомендуемый уровень вероятности расчетного значения  приведен в третьей графе табл. 5.

Практика показывает, что полученные таким образом  для квазиоднородных элементов (Р = 65 - 75 %) оказываются близкими к q_а, выбор которых в качестве расчетных рекомендует СНиП 2.02.02-85.

Необходимо иметь в виду, что к классу «однородных» (табл. 5), удовлетворяющих требованию / < 5, относятся не только слаботрещиноватые, слабоводопроницаемые структурно-петрологические блоки ( = 0,01¸0,5 л/мин), что естественно, но и очень сильноводопроницаемые крупные тектонические нарушения (СПЗ и ИГЗ), расположенные в приповерхностных частях массива ( > 30 л/мин).

Таблица 6

Классификация скальных массивов по К_а(u_р) и соответствующим ему примерные коэффициенты анизотропии водопроницаемости

5.5. Анизотропной называется среда, свойства которой неодинаковы для различных направлений. Для большинства скальных массивов характерна осесимметричная анизотропия. Геологической причиной анизотропии массива является упорядоченная (ориентированная) неоднородность его элементов, связанная с преобладающим направлением трещиноватости, со слоистостью и сланцеватостью пород. Анизотропию массива или его частей обычно оценивают величиной коэффициента анизотропии К_а(Х) = Х_макс/Х_мин, где Х_макс, Х_мин - большая и малая полуось эллипса анизотропии соответствующей характеристики свойств¹.

¹ Как показали исследования Э.Г. Газиева с соавторами [9], в случае блочной среды (с постоянным для каждой системы трещин раскрытием) ее анизотропия по водопроницаемости в общем случае имеет вид овалов Кассини («двухлепестковый цветок»). Однако для практических целей допустимо упрощать эту фигуру до эллипса.

Значения К_а(Х) одного и того же элемента массива, вычисленные по разным характеристикам свойств, могут различаться. Кроме того, К_а(Х) зависит от размеров области опробования массива.

В настоящее время отсутствует общепринятая методика оценки анизотропии массива по водопроницаемости, хотя имеется ряд предложений по ее реализации как прямыми, так и косвенными методами. Необходимо отметить, что все эти способы являются приближенными и позволяют получить лишь оценочные величины. Достоверность таких оценок можно повысить независимым определением К_а(К_ф) или K_a(q) двумя и более способами. Ниже, в пп. 5.6 - 5.9 коротко рассмотрены эти способы.

5.6. Методы прямого гидравлического опробования при изучении анизотропии пород по водопроницаемости включают:

а) использование результатов опытно-фильтрационных работ в разноориентированных скважинах с последующей статистической обработкой полученных результатов [44];

б) кустовые гидравлические откачки; частные решения этой задачи, полученные Н.А. Огильви, В.Д. Бабушкиным, В.М. Шестаковым [41, 61, 63], применимы в основном к изучению нескальных грунтов, либо слоистых нетрещиноватых пород осадочного происхождения. Для изучения плановой фильтрационной анизотропии трещиноватых пород по данным кустовых откачек при неустановившемся режиме фильтрации подземных вод можно рекомендовать методику И.К. Гавич [8]. В основе этой методики лежит зависимость Тейса, в которой коэффициент фильтрации заменен на . Максимальные и минимальные значения К_ф определяются по данным измерения уровня воды в наблюдательных скважинах, расположенных не менее чем на трех лучах опытного куста в количестве минимум по две на двух лучах и одной на третьем [31]. Методы кустового гидравлического опробования по сравнению с прочими способами дают наиболее достоверные результаты. Однако в силу значительной трудоемкости (для изучения основания необходимо опробовать ряд кустов скважин) методы кустовых откачек применяются редко при изучении скальных оснований.

5.7. Косвенным способом оценки анизотропии массива по водопроницаемости является расчетный метод определения К_а(К_ф) по параметрам трещин различных систем, выявленных в массиве. В соответствии с п. 4.6 Методики, путем такого расчета возможна оценка величины К_ф в любом направлении. Следовательно, возможна и оценка К_а(К_ф) изучаемого массива или его частей. Здесь следует отметить необходимость изучения трещиноватости не только в приповерхностной части массива - в обнажениях, но и в горных выработках - во внутренних точках среды.

5.8. Другой косвенный способ оценки К_а(q) = q"/q^{^} (где q" - водопроницаемость вдоль простирания слоистости, сланцеватости; q^{^} - то же вкрест простирания тех же элементов) основан на изучении анизотропии массива по скорости распространения упругих волн [16].

Методы инженерной сейсмики позволяют наиболее полно, быстро и при относительно небольших затратах оценить анизотропию скального массива или его частей по скорости продольных упругих волн, т.е. определить K_a(u_p) = u_{p макс}/u_{p мин} или для случая осадочных, метаморфических пород и массивов с ориентированной трещиноватостью K_a(u_p) = u_p"/u_p^{^}.

Связь K_a(u_p) с q" и q^{^} следующая [16]:

lgq^{^} = K_a(u_p) lgq" - a [K_a(u_p) - 1],                                       (6)

где а - коэффициент в уравнении lgq = a - bu_p, вообще говоря, индивидуальный для каждого массива. Его средние значения следующие:

а) для магматических водонасыщенных пород а = 3,7 л/мин; для дренированных пород берегов а = 1,1 л/мин;

Рис. 18. Связь коэффициента анизотропии массивов скальных пород по водопроницаемости K_a(q) с коэффициентом анизотропии по скорости продольных упругих волн K_a(u_p)

а - обводненный массив; б - массив в зоне аэрации; параметр кривых - значение q" вдоль напластования (либо вдоль преобладающей трещиноватости); К_а(q) = q"/q^{^}; K_a(u_p) = u_p"/u_p^{^}

б) для зоны аэрации туфопесчаников а = 1,5 л/мин;

в) для зоны аэрации закарстованных известняков а = 3,82 л/мин.

Задаваясь значениями K_a(u_p) и q", по формуле (6) определяют q^{^}, а затем K_a(q) = q"/q^{^}. В приведенных ниже примерах расчета (рис. 18, табл. 6) приняты значения а = 3,7 и 1,1 л/мин. Как следует из рис. 18, значения K_a(q) и K_a(u_p) нелинейно связаны между собой. Таким образом, определив по данным сейсморазведки K_a(u_p) и зная q", легко найти K_a(q).

Замечание. В практике изучения скальных массивов очень часто имеется информация о среднем значении  и K_a(u_p). Как оценить q" и q^{^}? Примерную оценку можно сделать на основе рис. 18 или табл. 6, откуда, полагая, что q" имеет тот же порядок, что и величина , находим K_a(q). Учитывая, что K_a(q) = q"/q^{^};  = (q" + q^{^})/2, получим

; q^{^}.                                      (7)

5.9. Грубую оценку величины K_a(q)_э = q_вд.р./q_п.р. (где q_вд.р. - средняя водопроницаемость основания вдоль русла реки; q_п.р. - то же перпендикулярно руслу) можно выполнить «экспертным» способом, основанным на рассмотрении вариантов взаимной ориентации осей бетонных плотин с элементами залегания пород в массиве и учете практического опыта изучения оснований - аналогов. Этот способ предполагает, что крупные структурно-петрологические элементы массивов характеризуются основным диапазоном K_a(q) = 1¸10. Это находит подтверждение в имеющихся (пока еще малочисленных) опытных данных, а также следует из того, что при q" ³ 0,1 л/мин и для наиболее характерного для различных объемных элементов водонасыщенных массивов диапазона значений K_a(u_p) = 1,0¸1,25 величина K_a(q) варьирует от 1 до 10. Согласно данным И.А. Пирогова [44], верхняя (20-метровая) зона основания Саяно-Шушенской ГЭС характеризуется K_a(q) = 2,5; для песчаников основания Нурекской ГЭС K_a(q) = 2,8 по данным работы [53]¹.

¹ Речь идет о массиве в целом или о его крупных структурно-петрологических элементах. Для локальных частей массива (на базах порядка единиц метров) частные значения К_а(К_ф) могут иметь намного большие величины. На это, в частности, указывал С.Н. Чернышев, анализируя полученные расчетом по параметрам трещиноватости значения К_ф в зоне влияния трещин бортового отпора в долеритах Богучанской ГЭС [64], где К_а(К_ф) достигала величин порядка 100 и более.

Рис. 19. Схема основных вариантов взаимной ориентации осей бетонных плотин с элементами залегания скальных пород в их основаниях и соответствующие диапазоны K_a(q) на основе экспертной оценки

Рис. 20. Схемы некоторых случаев взаимоориентации осей плотин с залеганием генетических элементов (СПБ и СПЗ) в скальных основаниях

1 - схемы ориентации плотин в плане: Б - бетонных, З - земляных; бьефы: Н - нижний, В - верхний; 2 - ориентация пластов пород, тектонических зон и трещин в плане; падение: П - пологое, У - под углом, К - крутое; 3 - породы тонкоплитчатые; 4 - породы среднеплитчатые; 5 - породы толстоплитчатые; 6 - породы массивные (граниты); 7 - тектонические зоны в плане и на разрезе: Г - глубинные разломы, С - средние, М - мелкие; 8 - протяженные трещины разного генезиса и ориентации; 9 - жилы (дайки) магматических пород.

Рис. 19 и 20 показывают 10 вариантов (и 5 подвариантов) взаимной ориентации осей плотин с залеганием генетических элементов массива и соответствующие экспертные значения коэффициента анизотропии водопроницаемости K_a(q)_э. Прототипами вариантов IV - X являются основания следующих гидроузлов: Саяно-Шушенского (варианты VI, VII); Константиновского (VIII); Чарвакского (IX); Ингури (X).

5.10. В соответствии с «Пособием к СНиП 11.16-76» массив анизотропен по водопроницаемости, если К_а(К_ф) или K_a(q) более 1,5.

Анизотропию массива по водопроницаемости рекомендуется учитывать следующим образом:

а) путем создания физических моделей (в частности, для исследований методом ЭГДА), удовлетворяющих заданному значению K_a(q), определенному методами инженерной геофизики или с помощью опытно-фильтрационных работ в разноориентированных скважинах и т.д.;

б) повышением расчетного значения q (или К_ф) с учетом взаимной ориентации оси плотины с залеганием пород и структурно-тектоническими особенностями массива (рис. 19, 20):

.                                                           (8)

6. ПРИМЕРЫ СОСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ

Фрагмент модели водопроницаемости основания Ингури ГЭС

Геоструктурная схема массива

Особенности геологического строения скального основания плотины Ингури ГЭС, отраженные на его геоструктурной схеме в плане и разрезе (рис. 21, 22), сводятся к следующему.

Рассматриваемый участок располагается на южном крыле антиклинальной складки, сложенной известняками и доломитами барремского яруса нижнего мела, залегающими моноклинально при общем падении на юго-восток, вниз по течению реки под углом 55 - 65°. В осевой плоскости антиклинальной структуры отмечается небольшой перегиб ее продольной ундуляции, обусловивший различие в простирании пластов на правом и левом берегах долины на величину до 10 - 15°.

Толща карбонатных пород имеет явно выраженное ритмично-слоистое строение, обусловленное закономерным, но несколько неравномерным чередованием пластов различной мощности от 0,1 до 2 - 5 м. Толща пород участка делится на 6 пачек (I - VI), сменяющих друг друга в нормальной стратиграфической последовательности. Каждая из них состоит из пластов разной мощности, сгруппированных в ритмы, характеризующиеся постепенно нарастающей мощностью чередующихся пластов от минимума до максимума. Мощность ритмов колеблется от 10 - 15 до 40 - 45 м. Границы пачек с мощностью, измеряемой от десятков до 100 м и более, совпадают с границами наиболее характерных ритмов (рис. 23).

Рис. 21. Геоструктурная схема участка плотины Ингури ГЭС

1 - геологический индекс; 2 - номер пачки; 3 - граница между пачками; 4 - номер ритма; 5 - тонкослоистые карбонатные породы (0,1¸0,4 м); 6 - среднеслоистые карбонатные породы (0,4¸1,0 м); 7 - толстослоистые карбонатные породы (1,0¸2,0 м и 2,0 м); 8 - главный правобережный разлом; 9 - зона дробления пород; 10 - зона трещиноватости в пределах оконтуренного участка; 11 - тектоническая трещина (номерная); 12 - номер трещины; 13 - диаграмма-роза; А - трещиноватости; Б - тектонических разрывных нарушений; а - угол и направление падения; б - азимут простирания трещин или тектонических разрывных нарушений.

Рис. 22. Геоструктурный разрез по линии А - В - С (к схеме зонально-блочного строения основания Ингури ГЭС)

1 - геологический индекс; 2 - граница между пачками; 3 - граница между ритмами; 4 - граница между слоями разной мощности; 5 - номер пачки; 6 - номер ритма; 7 - главный правобережный разлом; 8 - номерная трещина; 9 - кулисообразное развитие трещин, установленное; 10 - то же, предполагаемое; 11 - аллювиальные отложения.

Выделенные в сводном разрезе карбонатной толщи (мощность 500 м) 42 ритма подразделяются на 6 типов в зависимости от сочетания пластов в разрезе ритмов:

1 тип - преобладают пласты Н < 0,4 м, реже Н = 0,4 - 1,0 м, средний объем блоков  = 8 дм³;

2 тип - преобладают пласты Н = 0,4 - 1,0 м, реже h < 0,4 м,  = 260 дм³;

3 тип - равное соотношение пластов h = 0,4 - 1,0 м и h = 1 - 2 м,  = 740 дм³;

4 тип - преобладают пласты h = 1 - 2 м,  = 2400 дм³;

5 тип - преобладают пласты h > 0,4 м и частично h = 2 - 3 м;  = 7500 дм³;

6 тип - преобладают пласты h = 2 - 3 м, причем пласты h < 0,4 м отсутствуют,  = 10000 дм³.

Одним из главных структурных элементов на участке плотины является правобережный взбросо-сдвиг (разлом III порядка), относящийся к оперению регионального Ингиришского разлома (II порядка), расположенного в 1 км западнее данного участка. Правобережный взбросо-сдвиг имеет субширотное простирание с падением на юг под углом 75 - 80°, амплитуда смещения в плане 70 - 80 м и по вертикали порядка 70 - 100 м, длина его превышает 1 км, мощность зоны сместителя 2 - 9 м. Этот разлом делит массив основания плотины на два структурно-тектонических блока: южный блок А (приподнятый) и северный блок Б (опущенный). Менее крупные тектонические нарушения IV - VI порядков: межформационные и межпластовые срывы и сдвиги по напластованию (№№ 1 - 20), а также пологонаклонные зоны учащенных трещин отрыва, развитые кулисообразно между ритмами пластов. На участке выделены 6 систем трещин:

1 - трещины скола, азимут простирания АП = 25 - 50°, падение на ЮВ, угол падения УП = 55 - 65°;

2 - трещины отрыва, АП = 295 - 35°, падение на СЗ - СВ, УП = 50 - 80°;

3 - трещины отрыва, АП = 290 - 350°, падение на ЮЗ, УП = 20 - 60°;

4 - трещины отрыва, АП = 20 - 90°, падение на С - СЗ, УП = 15 - 50°;

5 - трещины скола, АП = 345 - 360°, падение на СВ, УП = 50 - 65°;

6 - трещины скола, АП = 60 - 80°, падение на ЮВ, УП = 60 - 80°.

В зонах приразрывного кливажа тектонических нарушений трещины всех систем учащены, искажены по своему залеганию и приоткрыты. В этих зонах отмечаются процессы доломитизации в известняках и раздоломичивания в доломитах, следствием чего является присутствие в полостях трещин карбонатной и доломитовой муки, особенно сильно развитой в зоне пластовых смещений и срывов №№ 17 - 20 в блоке А, вблизи правобережного разлома. Зона дробления последнего достигает мощности 17 м, а зона оперения - до 100 м с каждой стороны. Зона дробления тектонических нарушений IV - VI порядков имеет мощность 0,1 - 2,0 м. Большинство межформационных и межпластовых смещений (62 %) отвечает контактам маломощных (менее 0,4 м) и мощных пакетов пластов соседних ритмов.

Рис. 23. Изменение мощности пластов известняков по размеру в основании плотины Ингури ГЭС.

Все эти особенности геологического строения предопределяют закономерности развития мелких тектонических трещин, определяющих неоднородность и анизотропию массива по водопроницаемости.

Сечение массива моноклинальной структуры на данном разрезе имеет дугообразную форму, поэтому границы пачек пластов на нем имеют падение в сторону бортов долины, вырисовывая ложную антиклиналь несколько асимметричной формы в связи с продольной ундуляцией (перегибом пластов) южного крыла действительной антиклинали.

Последовательность учета особенностей геологического строения массива при составлении модели водопроницаемости

При сравнительно ограниченном числе определений интервальных значений водопроницаемости (300 значений) статистическая обработка этих данных с учетом геоморфологических и объемных генетических элементов массива (рис. 10) показала существенное различие водопроницаемости вблизи правобережного разлома, в зонах тектонических нарушений IV - VI порядков и ритмов разных типов. Это различие достигает двух - трех порядков (рис. 24). При этом обращает на себя внимание заметное снижение водопроницаемости ритмов с мощными пластами известняков по сравнению с ритмами, сложенными тонкими пластами тех же пород, отмечаемое для всех глубин опытных интервалов нагнетаний. Эта особенность указывает на развитие трещиноватости в зонах контактов ритмов, вызванное смещениями по напластованию мощных пластов по пакетам тонких пластов.

Последовательность методических этапов интерпретации можно проследить на четырех вариантах одного и того же разреза по дуге арочной плотины Ингури ГЭС. Эти варианты отражают различную степень детальности учета особенностей геологического строения массива и влияния на породы процессов выветривания и разгрузки естественных напряжений.

Вариант I (рис. 25) учитывает при интерпретации только влияние процессов выветривания и разгрузки на водопроницаемость массива. Интерполяция фактических значений q и снятых с графиков q(h) (рис. 12, «массив в целом») способом изолиний с градацией величины q в один порядок выявила развитие пологонаклонных зон повышенной водопроницаемости, примерно согласных с рельефом дневной поверхности и частично совпадающих с пологонаклонными зонами трещин отрыва IV системы. Полученный разрез характерен для зонально-слоистых упрощенных моделей водопроницаемости, наиболее часто встречающихся в практике инженерно-геологического обоснования проектов плотин на скальных основаниях.

Рис. 24. Связь водопроницаемости (q) известняков основания Ингури ГЭС с характеристиками их структуры

а - связь q с содержанием маломощных пластов известняка в ритмичной толще (в %); б - связь q со средней мощностью пластов ритма (0¸2,0 м); в - связь q с типами (I - VI) ритмов; г - распределение значений q в %

1 - тектонические нарушения; 2 - мелкие трещины и тектонические нарушения; 3 - мелкие трещины в массиве, вне тектонических зон.

Вариант II (рис. 26) учитывает при интерпретации только повышенную водопроницаемость тектонических нарушений и лишь частично влияние процессов выветривания и разгрузки пород. Полученная при соблюдении правил интерполяции схема водопроницаемости явно противоречит варианту I. Ввиду преимущественного развития в данном массиве тектонических смещений по напластованию, связанная с ними повышенная водопроницаемость обрисовала (в виде изолиний значений q) контуры этих зон, а также пологонаклонных зон учащенной трещиноватости III - IV систем.

Вариант III (рис. 27) обобщает варианты I и II, отражая более сложную картину неоднородности водопроницаемости. Одновременно он свидетельствует о локальных усложнениях рисунка изолиний q вблизи скважин с данными опытно-фильтрационных работ. Между скважинами рисунок изолиний q упрощается в связи с тем, что средние значения q, снятые с графиков q(h), естественно, не отражают локальные неоднородности ритмов известняков. В случае учета границ 42 ритмов, выделенных при послойным изучении сводного литолого-стратиграфического разреза, можно детализировать по водопроницаемости пространство между скважинами, опираясь на детальную геоструктурную схему. Однако, как правило, такая детализация оказывается излишней, а для практических задач моделирования и расчетов может быть использован разрез водопроницаемости с укрупненными элементами неоднородности (вариант IV, рис. 28). При составлении этого варианта обязательно участие, наряду с инженерами-геологами, гидротехников и специалистов, проводящих экспериментальные фильтрационные исследования методом моделирования.

Рис. 25. Фрагмент модели водопроницаемости скального массива. Вариант I - интерпретация с учетом влияния процессов разгрузки и выветривания

1 - литолого-стратиграфические пачки и горизонты нижнего мела (К), известняки (IV-и) и доломиты (IV-д); 2 - границы пачек; 3 - границы горизонтов доломитов; 4 - контуры доломитизации; 5 - тектонические нарушения V - VII порядков; 6 - типы ритмов по мощности пластов пород; 7 - правобережный взбросо-сдвиг III порядка; 8 - тектонические нарушения V - VII порядков;

а - № 8 - межформационный срыв V порядка; б - 1, 2, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 15, 16, 17, 18, 19, 20 - сдвиги по пластованию VI - VII порядков; в - 4, 7, 8а, 13, 14 - пологонаклонные тектонические смещения по трещине отрыва VII порядка; 9 - интервалы опробования угольных водопоглощений (л/мин); 10 - изолинии водопроницаемости (q - 0,01; 0,1; 1,0; 10; 100 л/мин).

Рис. 26. Фрагмент модели водопроницаемости скального массива. Вариант II - интерпретация с учетом выявленных изысканиями тектонических нарушений №№ 1 - 20.

Рис. 27. Фрагмент модели водопроницаемости скального массива. Вариант III - интерпретация, объединяющая варианты I и II

Рис. 28. Фрагмент модели водопроницаемости скального массива. Вариант IV - схематизация для проектирования и модельных исследований фильтрационного контура плотины

1 - q < 0,01 л/мин; 2 - q = 0,01 - 1,0 л/мин; 3 - q = 1,0 - 100 л/мин; 4 - q > 100 л/мин.

Фрагмент модели водопроницаемости основания плотины Стрыйского гидроузла

Гидроузел проектируется на р. Стрый в зоне развития Карпатского терригенного флиша верхнемелового возраста. Основание гидроузла сложено переслаивающимися песчаниками и аргиллитами, в меньшей степени алевролитами и гравелитами. Для этого района характерно развитие так называемых скибовых структурных форм, обусловленных системой взбросов и надвигов разных порядков и сопряженных с ними сбросов и сдвигов. В разрезе флиша выделяются три типа пачек слагающих их пород:

1) с преобладанием песчаников (средние значение  в интервале глубин от 5 до 100 м снижаются от 0,3 до 0,01 л/мин);

2) с преобладанием аргиллитов (соответствующие  снижаются от 1,8 до 0,02 л/мин);

3) с примерно равномерным чередованием песчаников и аргиллитов (соответствующие  снижаются от 5,0 до 0,023 л/мин).

В зонах тектонических нарушений и мелких складок водопроницаемость тех же пород повышается на 1,0 - 1,5 порядка величин. Исходя из установленных закономерностей изменения водопроницаемости с глубиной и опираясь на сравнительно небольшое число поинтервальных нагнетаний воды в скважины (около 140 опытов), был составлен разрез по оси плотины в показателях водопроницаемости (рис. 29). При составлении этого разреза использованы также данные сейсморазведки, позволившие расчленить разрез на подзоны различного влияния выветривания и разгрузки пород в массиве.

Рис. 29. Фрагмент модели водопроницаемости массива основания плотины Стрыйского гидроузла

1 - аллювий; 2 - тело оползня пород флиша; 3 - номера пачек пород флиша; 4 - тектонические нарушения; 5 - зоны сохранности пород флиша по данным сейсморазведки; значения u_р, км/с; 6 - интервалы опытных нагнетаний воды в скважины, значения коэффициента фильтрации К_ф и удельного водопоглощения q; 7 - изолинии q; 8 - уровень воды.

Фрагмент модели водопроницаемости основания плотины Красноярской ГЭС

Основание плотины Красноярской ГЭС сложено гранитами Шумихинского интрузивного комплекса, вытянутого в широтном направлении и представленного двумя структурными разновидностями, различающимися по крупности зерна. Мелкозернистые граниты слагают большую часть основания в русле и правобережном примыкании, среднезернистые граниты развиты в левой части русла и левобережном примыкании. Граниты прорваны серией магматических жил в основном северо-западного простирания с крутым падением. Они представлены инъекциями сиенитов, вогезитов и порфиритов. Большинство контактов жильных тел с вмещающими их гранитами сорваны тектоническими нарушениями разных порядков типа сбросо-сдвигов, ориентированными примерно параллельно жильным телам. Наиболее крупное тектоническое нарушение IV порядка, пересекающее долину р. Енисей под острым углом к оси плотины, именуется главной тектонической зоной.

В массиве основания выделены следующие структурно-петрологические элементы:

1. СПБ мелкозернистых гранитов вне зон влияния тектонических нарушений.

2. СПБ среднезернистых гранитов вне зон влияния тектонических нарушений.

3. Контакты жил порфирита и сиенита.

4. Участок III - между главной тектонической зоной и группой порфиритовых жил.

5. Главная тектоническая зона - приразрывный кливаж.

6. Участок II между главной тектонической зоной и сиенитовой жилой.

7. Участок IV - юго-западная часть группы порфиритовых жил.

8. Участок I - северо-восточнее сиенитовой жилы.

Статистическая обработка графиков q(h) применительно к указанным типам структурно-петрологических элементов (рис. 12, д) свидетельствует о сильной водопроницаемости главной тектонической зоны и контактов жил порфиритов, вогезитов и особенно сиенитов. Влияние тектонических нарушений и жильных тел сказалось и на повышенной водопроницаемости гранитов обоих видов. Характер кривых q(h) (рис. 12, д) выявил значительную мощность подзоны «Б» - сильного влияния разгрузки и выветривания (порядка 40 - 65 м), с водопроницаемостью в десятки - сотни литров в минуту на участках главной тектонической зоны и сиенитовой жилы. Для остальных частей массива для тех же глубин (40 - 65 м) значения q = 1 - 10 л/мин; глубже (в интервале 65 - 100 м) - q = 0,1 - 1 л/мин.

Рис. 30. Фрагмент модели водопроницаемости скального основания Красноярской ГЭС

1 - тектонические зоны; 2 - пологие трещины; 3 - уровень подземных вод; 4 - границы распространения зон различной водопроницаемости; 5 - удельное водопоглощение, л/мин; 6, а - жилы вогезитов и порфиритов; 6, б - жилы сиенита; 7 - 13 - зоны различной водопроницаемости (q, л/мин); 7 - > 200 л/мин; 8 - 200¸100 л/мин; 9 - 100¸10 л/мин; 10 - 10¸1,0 л/мин; 11 - 1,0¸0,1 л/мин; 12 - 0,1¸0,01 л/мин; 13 - < 0,01 л/мин.

Указанные особенности распределения водопроницаемости потребовали применения уплотняющей цементации основания на глубину до 40 м, а в зоне главного тектонического нарушения и глубже.

Интерпретация результатов опытно-фильтрационных работ выявила наличие приоткрытых трещин пластовой отдельности почти на всю глубину разведки (до 100 м), причем в зоне влияния главного тектонического нарушения на глубине 30 - 40 м значения q = 100 - 200 л/мин. При вскрытии котлована обнаружены пологие трещины пластовой отдельности с шириной раскрытия, измеряемой сантиметрами. В подрусловой части долины такие приоткрытые трещины пластовой отдельности нередко оказывались хорошо промытыми без заполнителя в виде мелкозема, характерного для бортов долины.

Характер фильтрационной неоднородности скального основания Красноярской ГЭС отражен на разрезе по оси плотины (рис. 30). На этом рисунке знаком «вп» отмечены жилы вогезитов и порфиритов, а знаком «с» - жила сиенита. Данный разрез подтверждает глубокое залегание относительного водоупора, условно принимаемого по изолинии q = 0,01 л/мин, который при реализованной глубине разведки порядка 100 м в ряде случаев не достигнут. Это показывает, что противофильтрационная цементационная завеса на глубину порядка 70 м имеет характер висячей, хотя, как показал опыт эксплуатации Красноярской ГЭС, и является достаточно эффективной.

Приведенные выше фрагменты моделей водопроницаемости скальных массивов как оснований плотин иллюстрируют возможность достаточно подробной характеристики их фильтрационной неоднородности. Необходимо отметить, что для исследований на моделях, используемых при проектировании подземного контура плотин, требуется не только составление подобных разрезов (как поперечных, так и продольных по отношению к долине реки), но и погоризонтные срезы на различных отметках. На основе этих материалов возможно построение пространственных физических моделей водопроницаемости, охватывающих в плане не только основание, но и область обходной фильтрации в бортах долины реки.

Помимо приведенных выше разрезов водопроницаемости, примеры различных подходов (САО Гидропроекта и ВНИИГа) к схематизации для одного и того же объекта (Чарвакская ГЭС), разрезы и срезы водопроницаемости скальных оснований (Саяно-Шушенская ГЭС и Константиновский гидроузел) приведены в Приложении 3, где обсуждаются вопросы о путях сосредоточенной фильтрации и зонах возможной суффозии.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

УСЛОВИЯ ФИЛЬТРАЦИИ В СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ

Движение подземных вод в скальных массивах

Фильтрационными исследованиями скальных массивов установлено [36, 51, 56 и др.] следующее:

- в большинстве случаев фильтрация в трещиноватых скальных массивах соответствует ламинарному режиму;

- в зависимости от геометрии пространственной сети трещин, шероховатости их стенок и от действующего напорного градиента встречаются случаи турбулентного режима;

- критический напорный градиент, при котором происходит изменение режима потока в скальных породах, определяется формулой (1.3);

- для оценки влияния шероховатости стенок трещин на гидравлическое сопротивление рекомендуется использовать два параметра (А и В), соответственно для ламинарного и турбулентного режимов фильтрации (табл. 1-1).

Таблица 1-1

Классификация трещин по степени шероховатости их стенок [51]

Гидравлические сопротивления установившемуся движению воды в трещинах (по В.Н. Жиленкову)

На основании градиент-скоростных характеристик (рис. 1-1), полученных при изучении процесса фильтрации воды в трещинах с различным раскрытием d и разной шероховатостью их стенок, установлено, что средние скорости движения воды в трещинах

при ламинарном режиме

,                                                      (1.1)

при турбулентном режиме

.                                                       (1.2)

Рис. 1-1. Градиент-скоростные характеристики потока воды в трещинах с шероховатыми стенками (образец из бетона на гранитном щебне крупностью 15 - 20 мин), при А = 1,1 см и В = 8,5 см. Температура воды 20 °С (по В.Н. Жиленкову)

Важнейшей особенностью процесса фильтрации воды в трещинах является то, что при возрастании градиента напора сверх так называемого «критического» его значения ламинарный режим сравнительно быстро сменяется турбулентным. Выражения критических градиента напора и скорости течения воды в трещине следующие:

,                                             (1.3)

.                                                     (1.4)

Из (1.3) следует, что при увеличении раскрытия очень тонких трещин, для которых параметры А и В много больше d, критический градиент быстро уменьшается, практически обратно пропорционально четвертой степени раскрытия трещины. Соответственно, критическое число Рейнольдса

.                          (1.5)

Характер изменения Re_к в зависимости от гидравлического параметра шероховатости А показан на рис. 1-2.

Гидравлические параметры А и В трещины можно определить по двум точкам на градиент-скоростной характеристике:

в области ламинарного режима

,                                         (1.6)

в области турбулентного режима

.                                  (1.7)

Рис. 1-2. Графики изменения критического числа Рейнольда потока воды в трещине в зависимости от гидравлического параметра шероховатости ее стенок (при t_в = 20 °С) (по В.Н. Жиленкову)

В закарстованных породах турбулентное движение часто развивается при небольших градиентах напора. Для свободных потоков воды и вблизи подошвы зоны аэрации закарстованных пород и для «подвешенных» закарстованных горизонтов характерно турбулентное движение.

В скальных трещиноватых породах с трещинами различного раскрытия и проводимости переход от ламинарного режима к турбулентному постепенный, так как турбулентное движение развивается сначала в трещинах с большим раскрытием.

У пород с одинаковыми параметрами трещин переход от одного режима к другому может быть резким без выраженной промежуточной зависимости. В природе подобные породы встречаются редко. К ним могут быть отнесены некоторые основные эффузивы четвертичного возраста, базальты и закарстованные породы с незаполненными карстовыми каналами.

Условия суффозии рыхлого и связного заполнителя полостей трещин и карста

Естественный или преобразованный в результате строительства фильтрационный поток, воздействуя на заполнитель трещин или других пустот, может, с одной стороны, размыть, растворить, вынести его на поверхность или перераспределить в трещиноватой среде массива. С другой стороны, незаполненные полости могут быть закольматированы привнесенным извне песчано-глинистым материалом или «залечены» выпавшими из раствора минеральными новообразованиями.

Следствием перечисленных взаимопротивоположных процессов - суффозии и кольматации, растворения и выпадения из растворов осадков, в скальных массивах могут быть существенные изменения условий фильтрации. В этом плане особенно большое значение имеет суффозия рыхлого и связного минерального заполнителя трещин, поскольку этот процесс, в отличие от растворения, может происходить довольно быстро.

Условия возникновения суффозии определяются наличием соответствующих физико-механических, химических и гидравлических факторов. К первым из них относятся физико-механические и химические свойства заполнителей, которые во многом зависят от генезиса материала, заполняющего трещины и другие пустоты.

Фильтрационно-прочностные типы заполнителей и взаимосвязь их с генезисом и другими природными компонентами

Собственно минеральный заполнитель с точки зрения водоустойчивости и фильтрационной прочности можно разделить на две основные группы.

1. Заполнитель, цементирующий породу настолько, что практически трещина залечивается полностью равнопрочным материалом. Примером такого заполнителя являются жилы магматических пород, пегматитовые, аплитовые и т.п. в любых вмещающих их породах, метасоматические жильные образования, например, кальцитовые жилы в известняках и т.п.

2. Заполнитель, не цементирующий породу в зоне трещин. К таким заполнителям относятся некоторые породы тектонического происхождения, корочки разных минералов-продуктов; выветривания типа железистых и марганцевых соединений, привнесенный рыхлый материал аллювиально-делювиального или аллювиального происхождения, который в разной степени закупоривает полости открытых трещин, в той или иной мере препятствуя движению по ним воды.

Распространение отдельных типов заполнителей находится в зависимости от целого ряда геологических, геоморфологических, гидрогеологических и климатических факторов. В табл. 1-2, составленной на генетической основе, заполнители трещин и карстовых полостей классифицированы по их фильтрационной прочности.

С этой точки зрения среди цементирующих заполнителей выделяются сильно- и слабоводорастворимые, водонерастворимые и термонеустойчивые, а нецементирующие рассматриваются как потенциально способные к механической суффозии. Далее наиболее часто встречаемые генетические разности заполнителей группируются в пределах выделенных типов, указываются наиболее распространенные составы пород, степень однородности, отражаются взаимосвязи с зонально-блочным строением массива, зонами выветривания, геоморфологией, климатом и гидрогеологическими условиями. Приводится качественная оценка суффозионной устойчивости.

Для оценки фильтрационной прочности материала практическое значение имеет группа потенциально суффозионных нецементирующих породу заполнителей. Для них характерны следующие взаимосвязи с различными природными условиями и строением скальных массивов.

Взаимосвязи с зонально-блочным строением, выражающимся в преимущественном развитии этих заполнителей в зонах тектонических нарушений и в меньшей степени в мелких трещинах в зависимости от степени раскрытия полостей в подзонах разгрузки естественных напряжений и физико-химического выветривания. Кольматаж трещин имеет место в основном в подзонах А и Б, в меньшей степени - в подзоне В и практически отсутствует в условно сохранных породах подзоны Г. В зонах тектонических нарушений кольматаж подзон сместителя перетертым материалом продолжается и в подзоне Г, так как его развитие ограничивается размерами самого тектонического нарушения.

Таблица 1-2

Предварительная классификация заполнителей полостей трещин и карстовых полостей в скальных основаниях гидротехнических сооружений

Взаимосвязи с геоморфологией выражаются в характере распространения различных генетических типов привнесенных извне рыхлых и связных грунтов заполнителей преимущественно к соответствующим элементам рельефа. Так, делювий приурочен к склонам, аллювий - к руслам рек и террасам долин, элювий - к водоразделам, цокольным террасам и пологим склонам, пролювиальные заполнители связаны с конусами выноса горных рек на равнинах предгорий и т.п. Приуроченности эоловых заполнителей к формам рельефа не наблюдается, так как они, рассеиваясь в воздухе, распространяются по существу повсеместно.

Проникновение заполнителей разного генезиса, постепенно вмываемых атмосферными водами по трещинам, отмечается на довольно значительную глубину и нередко встречается и под руслами рек.

Взаимосвязи генезиса заполнителей с древними и современными климатическими поясами выражаются достаточно четко для некоторых из них (табл. 1-2).

Взаимосвязи с гидрогеологическими условиями очень сложны и выражаются в переносе всех видов цементирующих и нецементирующих породу заполнителей, особенно глинистых частиц, по водопроводящим трещинам подземными водами в виде взвесей и растворов. Нецементирующие породу заполнители распространены преимущественно в зоне аэрации, в меньшей степени в зоне колебаний зеркала грунтовых вод и еще меньше в зоне полного водонасыщения.

Взаимосвязи с водопроницаемостью также несомненны и сложны в результате многообразия условий вымыва и выноса материала, которые часто принимают характер неравномерной миграции мелких частиц, переносимых, а местами аккумулируемых фильтрационными потоками разных режимов - турбулентным или ламинарным. Способность к суффозии нецементирующих породу заполнителей в общем усиливается с повышением водопроницаемости скальных пород и степени фильтрационной неоднородности массива и самого заполнителя и определяется местными градиентами и скоростями фильтрации, а также режимом фильтрационного потока, особенно в местах, где полости трещин и карстовые полости заполнены рыхлым материалом лишь частично. В областях развития мощной многолетней мерзлоты, до образования последней, условия распространения нецементирующего породу заполнителя, а также охарактеризованные выше взаимосвязи аналогичны вышеизложенным. Образование и форма выполнения трещин льдом в условиях сезонной или многолетней мерзлоты усложняет или прекращает фильтрацию воды. Однако в случае строительства подпорных гидротехнических сооружений по схеме оттаивания вопросы оценки возможности суффозии минерального нецементирующего породу заполнителя могут и должны рассматриваться по той же системе, что и в районах, свободных от многолетней мерзлоты.

Таким образом, изучение происхождения заполнителей полостей трещин и знание их взаимосвязей с комплексом природных условий дают основу для количественного изучения общих и частных признаков суффозионности заполнителей трещин и других пустот в скальных массивах.

Основные виды механической суффозии и критерии оценки фильтрационной прочности заполнителей полостей и трещин

Факторы, влияющие на возникновение суффозии, многообразны. Однако ее развитие предусматривает два обязательных неотъемлемых условия: наличие фильтрации и материала, который может подвергаться выносу. Поэтому главными факторами, влияющими на прогресс суффозии, являются: трещиноватость, кавернозность и другая пустотность, а именно частота трещин, ширина и протяженность их полостей, разветвленность, морфология стенок трещин, степень их заполнения и т.п., а также их пространственное расположение по отношению к фильтрационному потоку. Влияние перечисленных особенностей и параметров трещиноватости на развитие суффозии сказывается не непосредственно, а через фильтрационные и гидравлические параметры.

В целом, наиболее опасными в суффозионном отношении считаются протяженные трещины, раскрытые в результате процессов разгрузки и выветривания, ориентированные по течению реки или под острым углом к нему, проходящие в скальном основании из верхнего бьефа плотины в нижний.

Наиболее обоснованной классификацией видов механической суффозии в заполнителях трещин и карстовых пустот скальных массивов является классификация В.Н. Жиленкова [20, 56]. В зависимости от направления фильтрационного потока по отношению к направлению трещин выделяются 6 видов суффозии (рис. 1-3).

Рис. 1-3. Схемы проявления шести видов механической суффозии в скальных массивах (по В.Н. Жиленкову)

Схема I - случай проявления внутренней суффозии в материале дробления, заполняющем тектоническое нарушение в скальном массиве, при направлении фильтрационного потока поперек простирания этого нарушения.

Схема II - то же, но при направлении фильтрационного потока вдоль нарушения.

Схема III - случай внешней суффозии мелкозернистого заполнителя трещины в виде поверхностного его размыва фильтрационным потоком в открытой щели между поверхностью заполнителя и стенкой вмещающей трещины (например, случай размыва заполнителя трещины бортового отпора).

Схема IV - случай бокового размыва мелкозернистого заполнителя или глинистого прослойка в устье оперяющих его открытых трещин (например, случаи размыва глинистых прослоек в трещиноватых известняках, песчаниках и т.д.).

Схема V - случай эрозионного размыва стенок полых трещин в слабосцементированных полускальных породах.

Схема VI - случай выдавливания из крупной трещины заполнителя, находящегося в текучепластичном состоянии.

В свою очередь в зависимости от механического состава заполнителя, его однородности, сортированности и слоистости для I и II видов механической суффозии - внутреннего вымыва частиц заполнителя, выделяется три ее разновидности (рис. 1-4):

Рис. 1-4. Схемы трех разновидностей внутренней суффозии заполнителя (по В.Н. Жиленкову)

(I-II) а - общая внутренняя суффозия в однородной по компоновке зерен заполнителе трещин; (I-II) б - местная суффозия внутри однородного пласта заполнителя; (I-III) в - контактный размыв мелкозернистого пропластка в слоистом заполнителе

(I-II), а - одновременный вымыв частиц по всему пропластку материала, заполняющего трещину, происходит при наличии разнородного по механическому составу и однородного по компоновке зерен заполнителя;

(I-II), б - вымыв со стороны контакта более мелкозернистого материала с перемещением частиц в пропласток с более крупнозернистым составом, происходит в случае наличия двух контактирующих пропластков заполнителя, разнородных по механическому составу;

(I-III), в - продольный размыв слоисто-неоднородного заполнителя: мелкозернистый пропласток заполнителя размывается в месте его сопряжения с более крупнозернистым пропластком, в котором проходит турбулентный фильтрационный поток.

В соответствии с перечисленными видами и разновидностями суффозии при оценке суффозионной устойчивости заполнителей трещин предъявляются определенные требования [56] к их физико-механическим характеристикам и к гидравлическим параметрам (напорным градиентам и скоростям движения воды).

Необходимым условием внутренней суффозии (рис. 1-4) является возможность перемещения мелких частиц в поровых каналах материала заполнителя, что может быть выражено неравенством

d_в < d₀,                                                                (1.8)

где d_в - размер выносимых частиц; d₀ - диаметр пор, при значении критического градиента, выраженного неравенством [56]:

,                                       (1.9)

где g - ускорение свободного падения;  - поправочный коэффициент, учитывающий форму порового канала, равный от 0,35 до 0,95 в зависимости от окатанности материала;  - безразмерный коэффициент, равный:

.                                                          (1.10)

В результате внутренней суффозии заполнитель считается суффозионно устойчивым, если суммарное содержание в нем частиц с размерами, меньшими d₀, составляет по массе не более 5 %.

Для разновидности (I-II), б местной суффозии дополнительным критерием устойчивости материала заполнителя является условие

d_{0 c} < d_{70 м},                                                          (1.11)

где d_{0 c} - диаметр пор скелета; d_{70 м} - диаметр мелкозема, составляющего в массе заполнителя 70 %.

В этом случае местная суффозия быстро затухает во времени, и поэтому не представляет опасности.

Контактный размыв (I-II) и III имеет характер эрозии и проявляется лишь при турбулизации фильтрационного потока в крупнозернистом пропластке. Поэтому контактный размыв будет отсутствовать, если скорость фильтрации в этом пропластке не превысит критического ее значения, вычисленного по формуле [56]:

,                                                     (1.12)

где n - пористость заполнителя.

Как следует из (1.12), значение увеличивается с уменьшением диаметра пор d₀.

Расчетное значение критического градиента напора в крупнозернистом пропластке принимается равным

.                                                        (1.13)

IV вид суффозии - боковой размыв мелкозернистого заполнителя в устьях оперяющих разлом открытых трещин, возможен лишь при турбулизации фильтрационного потока в этих трещинах. Критериями этого вида суффозии являются величины критических градиентов и критических скоростей, определяемых по формулам [56]:

,                                                  (1.14)

.                                                    (1.15)

Фильтрационная прочность мелкозернистого заполнителя и глинистых прослоек по отношению к боковому размыву в устьях трещин с раскрытием d обеспечивается при любых значениях градиента напора, если в заполнителе имеются равномерно распределенные по размерам частицы крупнее 2d, процентное содержание которых в целом должно быть не ниже 5d оперяющих трещин, выраженного в миллиметрах.

V вид - эрозионный размыв стенок трещин в массиве, характерен для скальных пород с интенсивно выраженной каймой выветривания и для слабосцементированных пород, например, для песчаников на глинистом или известковистом цементе.

Эрозионный размыв стенок не произойдет, если

u_тр < 1 м/с и R_сж > 1 МПа,

где u_тр - скорость движения воды в трещине; R_сж - прочность водонасыщенной вмещающей породы на осевое сжатие.

VI вид суффозии - фильтрационный выпор глинистого заполнителя в устьях вмещающих трещин определяют, сопоставляя прогнозируемые градиенты напора в направлении устья трещины с критическим, при котором произойдет выпор [56]:

,                                                           (1.16)

,                                                   (1.17)

где  - объемная масса выпора; R_р - долговременная прочность на разрыв заполнителя, МПа; e_м - коэффициент пористости мелкозема; e_т - коэффициент пористости мелкозема на границе его текучести.

Из рассмотренных видов суффозии в практике чаще всего встречаются I, II и IV ее виды. Однако следует иметь в виду, что разработанная классификация видов суффозии является упрощенной. Ее назначение призвано дать схематическую основу для оценки фильтрационной прочности заполнителей. Природное же и наложенное техническое многообразие взаимодействия гидравлических схем с характером трещиноватости и различной компоновкой, составом материала заполнителя трещин и других пустот трудно охватить какой-либо схемой.

Кроме того, суффозия представляет собой сложный развивающийся во времени процесс, состоящий из ряда стадий, переходящих одна в другую, часто включающий все перечисленные ее виды. Поэтому в практике, при оценке суффозионной устойчивости заполнителя трещин или карстовых пустот, необходим индивидуальный подход с ориентацией на инженерно-геологические особенности, присущие данному скальному основанию, а также с учетом динамики суффозионного процесса.

Приложение 2

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЙ ПЛОТИН

Существуют косвенные и прямые методы изучения водопроницаемости скальных оснований, последние, в свою очередь, включают в себя полевые и лабораторные методы.

К косвенным методам относятся методы предварительной качественной или количественной (Приложение 1) оценки водопроницаемости на основании данных о геологическом строении участка, в том числе о параметрах трещиноватости, о режиме бурения и промывки, дешифрирования аэрофотоснимков и анализа существующих взаимосвязей между водопроницаемостью и природными элементами ландшафта, а также метод экстраполяции параметров проницаемости изученных скальных оснований - аналогов.

Косвенные методы применимы на первых стадиях изысканий, а также используются для целенаправленного размещения опытов при дальнейшем изучении фильтрационных свойств скальных оснований на более поздних этапах проектирования.

Прямые методы изучения водопроницаемости скальных пород включают в себя полевые и лабораторные опыты, с помощью которых непосредственно получают фильтрационные параметры скального основания, сложенного той или иной породой.

Наиболее представительными являются полевые методы определения фильтрационных параметров, так как проводятся в естественных условиях сложного природного комплекса, который при лабораторных испытаниях из-за многофакторности создать невозможно.

Перечень основных видов опытно-фильтрационных методов, используемых при изучении фильтрационных свойств скальных оснований, их применение, условия проведения опытов, получаемые параметры приведены в табл. 2-1. Табл. 2-2 содержит рекомендации по ориентировочным объемам опытных гидрогеологических работ на различных стадиях проектирования.

Методика проведения традиционных опытно-фильтрационных работ детально изложена в рекомендациях и инструкциях [24, 25, 43, 52, 57 и др.], поэтому в данной работе не рассматривается. Краткий обзор возможностей геофизических методов при гидрогеологических исследованиях приводится ниже.

Изучение гидрогеологических характеристик скальных массивов геофизическими методами

Задачи, решаемые методами геофизики

К числу гидрогеологических характеристик массива, определяемых геофизическими методами, относятся: положение уровня подземных вод, водоносных зон в массиве, минерализация вод, скорость и направление движения подземных вод, значения коэффициента фильтрации и удельного водопоглощения.

1. Возможность определения уровня подземных вод методами сейсморазведки или электроразведки по наблюдениям на дневной поверхности зависит от величины изменения скорости распространения упругих колебаний в породах или их электрического сопротивления при переходе породы от состояния естественной влажности (выше уровня подземных вод) к водонасыщенному (ниже уровня подземных вод).

Задача может быть решена сейсморазведкой (метод преломленных волн, метод рефрагированных волн) и электроразведкой (ВЭЗ). При этом:

а) сейсморазведка и электроразведка (при достаточной мощности водоносного слоя) уверенно выделяют уровень подземных вод в рыхлых отложениях и определяют глубину его залегания;

б) скальных породах уровень подземных вод может быть определен геофизическими методами лишь в условиях сильнопористых (известняки, песчаники) или повышенно трещиноватых пород, причем для электроразведки существенную роль играют наличие или отсутствие покрывающих отложений (в случае мощной толщи рыхлых отложений задача не решается электроразведкой), а также минерализация подземных вод (в условиях высокой минерализации дифференциация разреза по сопротивлениям более четкая. Сейсморазведкой задача может быть решена при относительно низких значениях скорости продольных волн, характерных для сухого массива. Ориентировочно можно считать, что при значениях скорости продольных волн в сухом массиве более 3,5 км/с (песчаники и алевролиты) и более 4,5 км/с (изверженные, метаморфические породы, известняки) задача выявления уровня подземных вод в скальных породах сейсморазведкой не решается.