Инженерно-геологические изыскания

13.1. Стадии планирования и проектирования
гидротехнических сооружений
и стадии инженерно-геологических изысканий

Планирование и проектирование гидротехнических сооружений осуществляют последовательно; проектирование ведут по стадиям. На всех этапах хозяйственной деятельности требуется информация инженерно-геологического характера, обеспечивающая решение разнообразных инженерных задач. Поэтому при планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений ведут инженерно-геологические изыскания, которые отличаются наборами применяемых методов, значительны по объемам и нередко весьма сложны по характеру решаемых инженерно-геологических задач. Это объясняется: сложностью и многоплановостью взаимодействий, реализующихся между подсистемами локальной ПТС «гидроузел» — «область взаимодействия», захватывающих большие области геологической среды; ответственностью гидротехнических сооружений, аварии которых могут нанести большой ущерб хозяйству.

Гидротехнические сооружения делятся на гидроэнергетические, воднотранспортные, мелиоративные, водоснабженческие [10]. Гидроузлы, сооружаемые на крупных реках, решают задачи энергетики, транспорта, мелиорации земель и др., поэтому планирование гидротехнического строительства предусматривает разработку схемы комплексного использования водотока. На основе схемы развития и размещения гидроузлов на реке разрабатывается стратегия использования водных ресурсов на перспективу. Схема предусматривает разбивку реки на ступени (рис. 13.1), определение технических и экономических показателей гидроузлов, установление очередности освоения и выбор объектов строительства первой очереди. Для решения перечисленных задач необходимы инженерно-геологические данные, получаемые в ходе инженерно-геологических изысканий (I этап инженерно-геологических работ). Решение о проектировании и строительстве гидроузла принимают, опираясь на схему комплексного использования реки. Проектирование ведут в две стадии: проекта и рабочей документации. Инженерная задача на стадии проекта состоит: в выборе створа подпорных сооружений; в установлении нормального подпорного уровня (НПУ); в определении основных параметров гидроузла; в выборе типов сооружений и их компоновке; в разработке проекта производства строительных работ; в составлении сводного сметного расчета стоимости гидроузла.

Рис. 13.1. Схема разбивки долины реки на ступени в разрезе (а), в плане (б):
1 — границы проектируемых водохранилищ, 2 — створы гидроузла. I, II, III — ступени

Инженерная задача, как видно из перечня вопросов, решается последовательно. Сначала в районе размещения гидроузла из числа конкурирующих должен быть выбран участок расположения гидротехнических сооружений и установлен НПУ, определяющий акваторию будущего водохранилища и параметры гидроузла. Только после выбора участка могут быть определены типы сооружений и разработано компоновочное решение. Нетрудно видеть, что инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта должны отражать последовательность решения инженерной задачи. Сначала на основании инженерно-геологической информации, полученной в результате изысканий, должен быть выбран участок размещения гидроузла (изыскания на перспективных вариантах — этап IIа), а затем по данным инженерно-геологических изысканий разрабатывают схему компоновки сооружений и выбирают их типы (изыскания на стройплощадке — этап IIб изысканий).

В процессе проектирования сооружений на стадии РД должны быть доработаны и уточнены технические решения, внесены изменения в проект в соответствии с решением утверждающей инстанции; разработаны детальные конструктивные решения отдельных сооружений и их элементов и проведен их сметный расчет; составлен окончательный вариант проекта производства строительных работ. Анализ содержания инженерной задачи стадии РД позволяет прийти к выводу о том, что для ее решения нужны подробные инженерно-геологические данные о месте размещения каждого сооружения гидроузла, достаточные для проведения окончательных расчетов инженерно-геологических процессов и выбора на базе инженерно-геологического прогноза детальных конструктивных решений отдельных сооружений и их элементов (фундаментов, конструкций примыкания сооружений, подземного контура, противофильтрационных завес и др.). Ясно, что подобные данные можно получить в процессе изысканий в пределах предполагаемой сферы взаимодействия (этап III инженерно-геологических работ).

В период строительства гидротехнических сооружений проектно-изыскательская организация: 1) корректирует рабочие чертежи, уточняет расчеты процессов, вносит изменения в проект производства строительных работ в случае несовпадения проектных данных с фактическими данными об инженерно-геологических условиях; 2) осуществляет авторский надзор за точным, соответствующим проекту и нормативам выполнением строительных работ. Решение положений инженерной задачи требует инженерно-геологических данных и, следовательно, проведения соответстввующих изысканий в пределах развивающейся сферы взаимодействия ПТС (этап IV инженерно-геологических работ). Наконец, в процессе эксплуатации сооружений гидроузла реализуется управление его функционированием. В части взаимодействия подсистем ПТС «сооружения» и «область взаимодействия» управление базируется на инженерно-геологическом прогнозе, который составляется (корректируется) по данным наблюдений за режимом инженерно-геологических процессов. Их получают в ходе режимных наблюдений (этап V инженерно-геологических работ).

Этапы хозяйственной деятельности и инженерно-геологических изысканий для гидротехнических сооружений приведены в табл. 13.1.

Таблица 13.1. Отношения этапов различных видов
деятельности в области гидротехники

В процессе строительства и эксплуатации сооружений гидроузла реализуются сложные и многообразные взаимодействия между орудиями и продуктами человеческого труда (землеройной, водопонизительной и горной техникой, сооружениями и их элементами и т. д.) и геологической средой. Взаимодействия проявляются в форме экзогенных геологических процессов искусственного происхождения, называемых инженерно-геологическими. Инженерно-геологические процессы рассматриваются в курсе «Инженерная геодинамика», поэтому рационально только перечислить главнейшие из них, развивающиеся при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, и указать их причины (табл. 13.2).

Таблица 13.2. ЭГП, развивающиеся при строительстве
и эксплуатации гидротехнических сооружений, и их причины

Сооружения гидроузла, водохранилище и область геологической среды, взаимодействующая с ними, составляют локальную ПТС, принадлежащую к классу управляемых систем. Планирование, проектирование, строительство и эксплуатация подобных ПТС опираются на инженерно-геологический прогноз, для которого требуется инженерно-геологическая информация. Как показано, она полностью определяет методику изысканий, поэтому набор и характер инженерно-геологических процессов очерчивает круг вопросов, ответы на которые требуется получить в ходе изысканий.

Ниже рассматриваются инженерно-геологические изыскания для гидротехнических сооружений, выполняемых на различных этапах.

13.2. Инженерно-геологические изыскания
для обоснования схемы комплексного
использования водотока

Пространственные рамки решения инженерной задачи при составлении схемы комплексного использования реки требуют разнообразной, в том числе и инженерно-геологической, информации обо всей долине реки. Ее получают в процессе инженерно-геологических изысканий. Начинают изыскания со сбора, систематизации и обработки литературных, фондовых, архивных материалов. Цель работы с накопленной инженерно-геологической информацией заключается в формулировании основных положений, составляющих рабочую геологическую гипотезу, и вопросов, требующих решения. На основании проработки имеющихся геологических данных составляют программу изысканий, сметный расчет и график работ. Если до составления программы нужно снять какие-либо вопросы, а накопленная информация не позволяет этого сделать, то проводят инженерно-геологическую рекогносцировку, в которой участвуют главный инженер проекта, инженер-геолог, геодезист, гидролог. Они обследуют долину реки или ее часть.

После утверждения программы приступают к инженерно-геологическим изысканиям. Их цель состоит в разбивке долины реки на ступени, выявлении возможности строительства гидроузлов и создании водохранилищ. Главным методом работ (этап I) является инженерно-геологическая съемка. Ее масштаб зависит от категории сложности инженерно-геологических условий (табл. 13.3).

Таблица 13.3. Масштабы инженерно-геологической съемки
при изысканиях для обоснования схемы комплексного использования водотока

Инженерно-геологические изыскания, как правило, включают геофизические исследования. Их цель заключается в выделении основных геологических границ (между рыхлыми и прочными скальными породами), выявлении переуглублений речной долины; установлении геоморфологической структуры долины; выявлении экзогенных геологических процессов; определении главных направлений изменчивости геологических параметров. Для установления основных геологических границ применяют методы ВЭЗ и электропрофилирования. Электропрофилирование используют также для установления зон тектонических нарушений, повышенной трещиноватости, карстовых полостей. По данным сейсморазведки устанавливают положение зон тектонических нарушений, переуглублений речной долины, границ скальных и рыхлых пород, положение кровли мерзлых пород и т. д.

В районах возможного размещения гидроузлов проводят небольшой объем буровых и горных работ. Выработки размещают в соответствии с геологическими правилами: по поперечникам через долину реки, на всех геоморфологических элементах и в местах их сопряжения. Расстояния между выработками в пределах каждого геоморфологического элемента можно рассчитать по данным геофизических работ (одномерный сппинф). Выработки на концах поперечника должны располагаться за пределами области возможного взаимодействия сооружений с геологической средой. Глубину буровых скважин устанавливают с учетом границ предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с сооружениями планируемого гидроузла.

По данным горных и буровых работ должны быть установлены: разрез и свойства рыхлых пород, положение кровли скальных пород, мощность зоны их разгрузки и выветривания в долине, устойчивость в бортах, гидрогеологические условия, водопроницаемость пород возможной зоны фильтрации.

При изысканиях в горных долинах в примыканиях будущих плотин проходят штольни, вскрывающие рыхлые отложения и зону разгрузки пород, а русловая часть долины исследуется буровыми скважинами.

В районах расположения гидроузлов первой очереди ведут опытные гидрогеологические работы. Главная цель работ заключается в выявлении условий фильтрации в районе плотины и оценке возможности фильтрационных деформаций основания подпорных сооружений. В состав работ входят опытные откачки, нагнетания, наливы.

В процессе инженерно-геологической съемки выделяют главным образом МГТ-1, которые характеризуют классификационными показателями (в виде размаха значений). В районах размещения гидроузлов первой очереди выделяют МГТ-2, для которых наряду с классификационными показателями устанавливают оценки показателей прочности и сжимаемости по небольшим выборкам. Особое внимание обращается на свойства тех геологических тел, которые могут оказаться в основании сооружений, тяжелых и сложных по условиям взаимодействия с основанием. При съемке в районах размещения гидроузлов изучаются экзогенные геологические процессы. В случаях необходимости в пределах областей с неустойчивой структурой проводят геофизические и горно-буровые работы.

В рамках изысканий ведутся поиски и разведка строительных материалов. Цель работ — установление обеспеченности будущего строительства местными строительными материалами. В процессе работ выявляют месторождения и подсчитывают их запасы по категориям С1 и С2. Запасы в 2–3 раза должны превышать потребности строительства в стройматериалах.

13.3. Инженерно-геологические изыскания
для обоснования проекта

Как отмечалось, в соответствии с последовательностью решения инженерной задачи инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта разделяются на два этапа: IIа и IIб. К началу проектирования гидроузла известен лишь район его размещения (некоторый участок долины реки). Инженерная (и инженерно-геологическая) задача состоит в выборе наилучшего участка размещения гидротехнических сооружений, который обеспечивает наиболее полное использование прочностных и деформационных свойств грунтов и материала возводимого сооружения при наименьших приведенных затратах [10, 30]. После выбора участка решают вторую часть инженерной задачи: устанавливают тип сооружений (ГЭС приплотинного или деривационного типа, конструкция и высота плотины, разработки вопросов судоходства, рыбного хозяйства, мелиорации и др.); производят окончательную компоновку сооружений; составляют проект сооружений и проект производства строительных работ.

На этапе IIа инженерно-геологических изысканий в районе строительства гидроузла ведут инженерно-геологическую съемку в масштабах 1 : 25 000 (для районов I категории сложности инженерно-геологических условий), 1 : 10 000 (II категория сложности) и 1 : 5000 (III категория сложности). Если в рамках схемы комплексного использования реки в районе проведена съемка, масштаб инженерно-геологической съемки укрупняют. Площадь съемки охватывает все возможные участки размещения гидроузла и территорию, в пределах которой при его строительстве и эксплуатации разовьются инженерно-геологические процессы. В ходе инженерно-геологической съемки должны быть выделены и охарактеризованы показателями свойств геологические тела категории МГТ-2 (классификационные показатели). Те МГТ-2, которые, как предполагается, будут залегать в основании гидротехнических сооружений и свойства которых могут существенно повлиять на инженерно-геологическую оценку варианта размещения гидроузла, должны быть расчленены на МГТ-3 и охарактеризованы показателями прочности, сжимаемости, проницаемости. Характеристики приводятся в виде оценок средних значений с доверительной вероятностью 0,95.

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

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

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

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

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

На вариантах трассы деривационных тоннелей ведут инженерно-геологическую съемку (1 : 25 000 — 1 : 5000), на портальных участках масштаб съемки может быть укрупнен до 1 : 2000. Если геологическое строение трассы тоннеля несложное, то горно-буровыми выработками вскрывают поверхностные отложения и выветрелую зону коренных пород, в которых проектируют тоннель. Проходят 3–5 выработок на 1 км трассы. При сложном геологическом строении проходят скважины до отметки заложения тоннеля, если он располагается на глубине до 300 м (не более одной скважины на 3 км трассы). На участках порталов закладывают поперечники (3–5 скважин на расстоянии до 25 м).

На участках возможного размещения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций (на вариантах их размещения) проводят инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 10 000 — 1 : 2000. Съемка сопровождается горно-буровыми работами на участке напорного бассейна, по трассе напорного трубопровода, на участке здания ГЭС. Глубина выработок: на участке напорного бассейна — до 20 м ниже отметки дна бассейна; на участке здания ГЭС — до 15 м ниже отметки заложения фундамента, на участке напорного трубопровода — до 7 м ниже отметок фундаментов опор.

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

В рамках изысканий для проекта проводятся поиск и разведка месторождений строительных материалов. Подсчет запасов проводят по категориям C1 и В.

После выбора варианта размещения гидроузла инженерно-геологические изыскания по своему характеру и целевому назначению отвечают этапу IIб (инженерно-геологические исследования на выбранной для строительства площадке). На участке долины реки, выбранном для строительства сооружений гидроузла, производят инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 1000 — 1 : 5000. Масштаб съемки узких горных долин со сложным геологическим строением — 1 : 1000, более широких долин со сложными инженерно-геологическими условиями — 1 : 2000, широких долин равнинных рек — 1 : 5000.

В долинах равнинных рек участки размещения бетонных водосливных плотин, зданий ГЭС, шлюзовых камер могут сниматься в более крупном масштабе, чем участок гидроузла. Площадь съемки ограничивают предполагаемой областью взаимодействия геологической среды с сооружениями гидроузла (в латеральной плоскости и по глубине). В результате инженерно-геологической съемки должны быть выделены и охарактеризованы показателями свойств МГТ-2 и МГТ-3 (соответственно оценки классификационных показателей и показатели прочности и сжимаемости).

Горно-буровые выработки располагают, учитывая особенности компоновки сооружений гидроузла. Фронт напорных сооружений (линию створа) можно перемещать лишь по долине, а другие сооружения (например, сооружения деривации) подчинены компоновочному решению напорных сооружений. Ясно, что наряду с определением места размещения выработки в рамках регулярного сппинфа (чаще одномерного) местоположение выработок предопределено вариантом компоновки сооружений гидроузла. Выработки располагают по длинной оси напорных сооружений, оси створа и параллельно направлению створа, на расстоянии до 100 м выше и ниже оси створа. Расстояния между выработками рассчитывают на основании данных изысканий этапа IIа. Справочная литература [30] содержит следующие рекомендации относительно шага между выработками (табл. 13.4).

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

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

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

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

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

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

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

На территории водохранилища инженерно-геологические изыскания этапа IIб проводят только на участках предполагаемого развития инженерно-геологических и гидрогеологических процессов, фильтрации, подтопления, переработки берегов. На этих участках проводят инженерно-геологическую (или гидрогеологическую) съемку масштаба 1 : 25 000 — 1 : 5000. По данным съемки выделяют поперечники, на которых проводят опытные работы. На участках возможной фильтрации из водохранилища поперечник буровых скважин проходит через водораздел. На нем проводят 1–2 опытные откачки и опытные нагнетания. На участках подтопления и переработки берегов для получения сведений, нужных для прогноза подпора грунтовых вод и величины переработки берега, скважины располагают по поперечникам к будущей береговой линии. С целью прогноза подтопления данные получают в процессе откачек, наливов в шурфы и в ходе наблюдений за режимом УГВ. На поперечниках, предназначенных для оценки переработки берегов, проводят инженерно-геологическое опробование пород, опытные работы по определению размываемости пород.

На этапе IIб продолжают разведку строительных материалов. Изучают наиболее перспективные месторождения. Запасы строительных материалов должны отвечать категориям В и А и на 30–50 % превышать потребность строительства.

13.4. Инженерно-геологические изыскания
для обоснования рабочей документации

Условия инженерной задачи, такие как доработка и уточнение технических решений, разработка детальных конструктивных решений для отдельных сооружений, составление окончательного варианта проекта производства строительных работ и др., требуют проведения инженерно-геологических изысканий в пределах предполагаемых сфер взаимодействия отдельных сооружений. Изыскания должны дать материалы для составления расчетных схем, прогноза инженерно-геологических процессов, а также данные для составления проекта строительных работ. Главным методом изысканий является детальная инженерно-геологическая разведка. Горные и буровые выработки располагают на местах строительства плотин, водосбросов, зданий ГЭС, шлюзов, подводящих, отводящих и деривационных каналов, противофильтрационных завес, дренажа, дамб и др. Выработки размещают по расчетным сечениям, по осям и контурам сооружения (рис. 13.2). Глубина выработок определяется сферой взаимодействия. По сравнению с изысканиями для проекта большее значение приобретает проходка шурфов, штолен, выработок нестандартного сечения для проведения опытных (опытно-строительных) работ, скважин большого диаметра. На местах размещения фундаментов ответственных сооружений проводят опытные нагрузки на штампы (на сваи), опытные сдвиги целиков, обрушения (выпирания, раздавливание) призм. На площадке размещения сооружения проводят до пяти испытаний.

Рис. 13.2. Примеры размещения выработок при детальной инженерно-
геологической разведке в пределах предполагаемой сферы взаимодействия.
а — плотина; б — судоходный камерный шлюз: 1 — голова, 2 — камера;
в — сооружения деривационного гидроузла: 1 — трасса деривационного канала,
2 — напорный бассейн, 3 — опоры турбинных трубопроводов,
4 — машинное здание, 5 — трасса отводящего канала; г — цементационная завеса:
1 — штольня верхнего яруса, буровая скважина в штольне: 2 — штольня верхнего яруса,
3 — штольня нижнего яруса и в долине, на отметках уреза воды;
4 — контуры арочной плотины

В процессе инженерно-геологического опробования по расчетным сечениям каждой зоны сферы взаимодействия сооружения получают данные для уточнения положения границ инженерно-геологических элементов и установления показателей их свойств, которые используются в расчетах процессов. Объем опробования должен быть достаточным для проведения статистических расчетов (оценка законов распределения, проверка статистической однородности геологических тел по показателям, используемым в расчетах, оценка средних значений и мер их рассеяния). Значения показателей свойств грунтов, используемых при расчетах оснований, получают в лабораторных условиях в ходе модельных испытаний. Условия и режим их проведения должны отвечать основным этапам развития и функционирования сферы взаимодействия (например, периодам нагрузки пород основания, начала уплотнения пород основания под нагрузкой от сооружения, относительной консолидации грунтов основания, наполнения водохранилища до НПУ).

Геофизические работы выполняют с целью уточнения отдельных во­просов, связанных с прогнозом инженерно-геологических и гидрогеологических процессов. Опытно-фильтрационные работы проводят с целью получения информации, необходимой для уточнения проектных решений в отношении: плотности и глубины противофильтрационных завес, водоотлива из строительных котлованов, тоннелей, глубинного водопонижения, расчета дренажей. Гидрогеологические работы продолжают изучение режима подземных вод, начатое при изысканиях для проекта. Для этого расширяют сеть наблюдательных скважин, располагаемых по расчетным сечениям, внутри контуров зон изменения гидродинамического режима подземных вод. В скважинах проводят также опытно-фильтрационные исследования.

Изыскание для обоснования РД обычно включает моделирование гидрогеологических и инженерно-геологических процессов. Для моделирования напряженного состояния пород, вскрытых выемками и находящихся под нагрузкой от сооружения, применяют поляризационно-оптический метод, метод эквивалентных материалов и др. Поле напряжений в естественных склонах и откосах выемок получают также методом конечных элементов. Для получения моделей полей геологических параметров используют методы ортогональных полиномов, сплайн-интерполяции, МАКФ, самоорганизации. Модели реализуют на ЭВМ. Для гидрогеологического моделирования применяют различные математические методы. Моделирование процессов выполняют по специальной программе.

На стадии РД ответственных сооружений проводят опытно-строительные работы: строительство опытных котлованов, участков противофильтрационных завес, опытное водопонижение, строительство опытных участков трасс деривации, частей земляных сооружений (отработка технологии намыва или отсыпки грунтов). В ходе этих работ ведутся инженерно-геологические наблюдения по контрольной сети (реперы, пьезометры, датчики порового давления и другие устройства). Цель наблюдений — проверка эффективности строительных работ и получение данных для уточнения инженерно-геологических прогнозов.

В чаше водохранилища на опытных створах продолжают инженерно-геологические наблюдения с целью получения данных, на основе которых уточняют проект защитных мероприятий.

На перспективных месторождениях продолжают разведку строительных материалов. По данным предыдущих исследований рассчитывают трехмерный сппинф и размещают скважины и горные выработки (до 20 % от объема сппинфа) на площади месторождения.

По результатам разведки должны быть решены следующие задачи.

1. Запасы должны быть переведены в категорию А.

2. Оценено качество строительных материалов и соответствие их требованиям проекта.

3. Оценены способы разработки месторождения.

13.5. Инженерно-геологические изыскания
в период строительства и эксплуатации
гидротехнических сооружений

В процессе строительства гидротехнических сооружений осуществляются: 1) авторский надзор за отвечающим в точности проекту и техническим условиям выполнением строительных работ; 2) корректировка рабочих чертежей и способов ведения строительства в случае несовпадения данных инженерно-геологического прогноза с фактическими инженерно-геологическими данными, выявленными в ходе строительства. Информацию о фактически наблюдаемых инженерно-геологических условиях и эффективности предусмотренных проектом способов ведения строительства и защитных мероприятий получают в процессе оперативной инженерно-геологической разведки (этап IV). Цель ее заключается в: а) проверке инженерно-геологических прогнозов; б) контроле за качеством выполнения проекта и эффективностью работ по проходке строительных выемок (котлованов, каналов, тоннелей и др.), работ по подготовке оснований, устройству водопонижения, дренажей, цементации; в) осуществлении контроля за соблюдением предусмотренной проектом (техническими условиями) технологии возведения земляных сооружений (геотехконтроль).

Оперативная инженерно-геологическая разведка включает инженерно-геологическую документацию, опробование и режимные инженерно-геологические (и гидрогеологические) наблюдения. Методика оперативной инженерно-геологической разведки рассмотрена в параграфе 8.4, поэтому отметим только, что инженерно-геологические и гидрогеологические наблюдения за режимом процессов ведут на сети контрольных точек, которая изменяет объем, конфигурацию и содержание (набор контролируемых гидрогеологических и инженерно-геологических параметров) в процессе строительства. По мере завершения строительства отдельных сооружений пространственная структура сети стабилизируется, а ее объем увеличивается (например, 5900 точек на Красноярском гидроузле). Развитие и стабилизация сети контрольных точек предопределяют необходимость непрерывного наблюдения за режимом инженерно-геологических и гидрогеологических процессов в рамках мониторинга. Инженерно-геологические наблюдения, проводимые в рамках оперативной инженерно-геологической разведки (этап IV), постепенно перерастают в наблюдения за режимом инженерно-геологических и гидрогеологических процессов, методика которых рассмотрена в параграфе 8.5 (этап V инженерно-геологических работ).

13.6. Об особенностях проведения инженерно-
геологических изысканий для гидротехнических
сооружений в сложных природных условиях

При планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений в сложных природных условиях существенно усложняется и методика инженерно-геологических изысканий.

В районах распространения многолетнемерзлых пород особенности инженерно-геологических изысканий обусловлены изменением теплового режима на большой территории; необходимостью выявления форм залегания, границ, мощности многолетнемерзлых пород и изучения характера состава, строения, температурного режима, криогенной текстуры, физико-механических и теплофизических свойств пород и их изменения при оттаивании. В дополнение к обычным исследованиям проводят геокриологическую съемку, в ходе которой выявляют закономерности распространения мерзлых и талых пород и их свойства, связь с ландшафтными индикаторами, геокриологические процессы (термокарст, солифлюкцию, бугры пучения и др.).

В состав инженерно-геокриологических изысканий включают геофизические работы: термометрию (определение мощности и температурного режима мерзлых пород); электроразведку (определение глубины сезонного промерзания — протаивания, выделение участков с различной льдистостью). В процессе изысканий проводят наблюдения за режимом температуры на специально оборудованных стационарных площадках (этап IIа). Ведут лабораторные исследования мерзлых пород (определение теплопроводности, теплоемкости, льдистости, суммарной весовой влажности, осадков при оттаивании, прочностных свойств грунтов в мерзлом и талом состоянии). Ряд перечисленных показателей определяют и полевыми методами (теплопроводность, теплоемкость, осадка при оттаивании). Для оценки проницаемости используют метод нагнетания воздуха.

В районах развития карста методика инженерно-геологических исследований подчинена рабочей гипотезе о карстовом процессе (возраст, распространение, условия, причины, скорость развития, стадия). Задачами изыскания следует считать: выявление связи процесса с геологическим строением, составом и свойствами пород, с геоморфологическими условиями, с трещиноватостью (в том числе с трещинами разгрузки и бортового отпора) и тектонической нарушенностью; выявление гидродинамических и гидрохимических закономерностей, определяющих режим, скорость и интенсивность карстового процесса.

На этапе I изысканий (для обоснования схемы) в процессе инженерно-геологической съемки и геофизических работ должны быть изучены общие закономерности, которым подчинено развитие карстового процесса в долине реки. При изысканиях для обоснования проекта (этап IIа) оценивают проявления процесса и его интенсивность. По данным изысканий составляют схему развития процесса. На основе схемы решают во­прос об уходе от области развития карстового процесса или о размещении сооружений в пределах этой области. В случае последнего решения при изысканиях на этапах IIб и III ведут специальные исследования с целью:

1) оценки пространственной структуры проявлений карста;

2) определения водопроницаемости закарстованных пород в горизонтальном и вертикальном направлениях (метод трехзонных кустовых откачек из скважин большого диаметра);

3) оценки степени закольматированности пород в пределах русловой части долины и на ее склонах;

4) определения суффозионной устойчивости рыхлого заполнителя пустот и трещин методом нагнетания в одиночные скважины с последовательным увеличением напора или методом опробования двух скважин (нагнетание в одну скважину и откачка из другой с отбором проб воды и анализом условий и времени появления заполнителя);

5) определения прочности и сжимаемости закарстованных пород полевыми методами (штампы, прессиометрия).

В районах со сложной тектоникой инженерно-геологические изыскания опираются на гипотезу о структурно-тектоническом строении и истории тектонического развития района размещения гидроузла. Гипотеза включает схему тектонического строения, которую непрерывно уточняют и детализируют в процессе изысканий. Их основная задача состоит в: выявлении тектонического строения территории; установлении пространственной изменчивости и анизотропности свойств пород, связанных с элементами тектоники (сбросами, надвигами, складками, трещиноватостью); реконструкции процессов формирования пространственной изменчивости свойств пород и их трещиноватости, обусловленной наложением на процессы прогрессивного литогенеза тектонических процессов и процессов регрессивной фазы (разгрузки и выветривания). «Равнодействующая» этих процессов определяет сохранность пород в бортах и дне долины и их свойства.

Для решения перечисленных задач в состав инженерно-геологической съемки включают сейсморазведку, разведку ультразвуковым методом, структурно-петрологические исследования, горные и буровые работы (штольни, шахты, канавы, рассечки, скважины большого диаметра). В процессе съемки большое внимание уделяют изучению трещиноватости пород.

В результате исследования должны быть получены модели полей трещиноватости, круговые диаграммы и другие отчетные материалы, количественно характеризующие пространственную изменчивость трещиноватости, системы трещин и их генетические типы.

Для выявления сейсмической устойчивости территории в состав работ нередко включают сейсмическое районирование общего типа, сейсмическое микрорайонирование, наблюдения за современными тектоническими движениями по разломам. Показатели свойств, в особенности прочности и сжимаемости, получают полевыми методами (нагрузки на штамп, сдвиги штампов, сдвиги бетонных массивов и блоков пород, определение характеристик упругого отпора в выработках, прессиометрия). Данные полевых определений (коллективные свойства) используют для корректировки результатов лабораторных работ. Большое внимание уделяется опытно-фильтрационным исследованиям трещиноватых пород, зон трещиноватости и тектонического дробления.