Фильтрация из водохранилища как основной возмущающий фактор геологической среды

Анализ поведения плотины СШГЭС показывает, что после аварии в августе 2009 г. продолжается «накопление остаточных деформаций на контакте плотины с ее скальными примыканиями», что продол­жается «развитие зон разуплотнения близ напорной грани», что про­должают «нарастать с небольшой, но постоянной скоростью дефор­мации сжатия под низовым клином отдельных секций плотины» . Эти процессы свидетельствуют о существовании изменяющихся во времени мощных воздействий на плотину со стороны геологической среды. Воздействие водохранилища на массив основания проявля­ется во многих формах. При систематизации этих воздействий мож­но выделить семь их основных проявлений.

Основным силовым фактором, изменяющимся в течение длитель­ного периода времени, является нестационарный процесс фильтра­ции в основании плотины, ложе водохранилища и берегах. Глубокое водохранилище порождает в большом объеме скального массива основания и берегов неустановившиеся фильтра­ционные процессы, проявляющиеся в перераспределении силовых и температурных воздействий на подземный контур плотины. В процессе эксплуатации гидроузла фильтрационный поток, заглубляясь, захватывает все новые и новые области основания и берегов.

Результат силового воздействия фильтрационных процессов на НДС геологической среды и плотин напрямую зависит от назначен­ного расчетного объема фильтрующего пространства. В то же время в нормативных документах не указывается толща фильтрующего ос­нования, которую следует принимать в расчет при проектировании высоких бетонных плотин. Как правило, расчетная толща фильтру­ющего основания принимается не более 100—150 м.

В вертикальном разрезе горных пород, вмещающих водохрани­лища, можно выделить несколько гидродинамических зон:

• зона аэрации, которая формируется за счет атмосферного питания и характеризуется наличием гидравлически разобщенных по токов подземных вод;
• зона насыщения массива ниже уровня воды в водохранилище, которой формируется единый гидравлически связанный горизонт трещинно-поровых вод;
• зона глубинных вод, гидравлически не связанная с водохранилищем и речной сетью.

Наиболее широко исследованы глубинные флюидодинамические системы в нефтегазовой отрасли, где в процессе изысканий выделя­ются механизмы формирования водонапорных комплексов, области их питания и разгрузки, фильтрационно-емкостные, геобарические и геотермические признаки. Там для каждого из осадочных комплек­сов определяется диапазон изменения пластовых давлений, а также их превышение над гидростатическим давлением, которое характе­ризуется коэффициентом аномальности пластовых давлений. Близость или совпадение пластового давления с гидростатическим давлением свидетельствует о наличии гидравлической связи водона­порных комплексов с поверхностными водами. Практика показыва­ет, что подобное совпадение давлений, активный водообмен и гидрав­лическая связь с речными системами наблюдается до глубин 3—4 км на сотнях эксплуатируемых месторождений. Что касается магматических и метаморфических пород, то «гидрогеология глубо­ких частей массивов кристаллических пород до настоящего времени практически не изучена».

Фильтрационный поток развивается там, где породы основания хотя бы в малой степени проницаемы. По мере увеличения глубины залегания скальных пород их проницаемость уменьшается пример­но на три-четыре порядка: от 0,1 м/сут в верхних горизонтах до 0,00001 м/сут на глубине тысяча и более метров. Метаморфические и интрузивные породы на глубине залегания 500—800 м и более характеризуются коэффициентом фильтрации 10^-3—10^-6 м/сут. Аб­солютно непроницаемых горных пород не существует. Поэтому в гидротехнической практике не может существовать объективных ограничений зоны действия фильтрационного потока по критерию проницаемости.

Предположение о том, что фильтрационный поток, развивающий­ся в основаниях высоких плотин, проникает в глубокие горизонты скальных оснований, не может иметь объективных возражений. Не­которые авторы справедливо считают, что напоры ВБ перестают сказываться в основании плотин на глубинах более десяти значений сконцентрированных на гидроузле напоров. Водохранилище и филь­трационные процессы оказывают наибольшее влияние на геологичес­кую среду в приплотинной зоне, где возникает мощная фильтрация в основании и обходная фильтрация в береговых массивах. Из сказан­ного можно сделать вывод о том, что глубина проникновения высоко­напорного фильтрационного потока в толщу скального основания плотины СШГЭС составляет не менее пяти напоров на гидроузле. Ниже этот вывод подтверждается расчетами.

Начальные пластовые давления в водонапорных комплексах Лос-Анджелесской впадины.

Месторождения: 1 —Уилмингтон: 2—Ханктингтон-Бич; 3 — Лонг-Бич; 4 — Санта-фе-Спрингс; 5—Инглвуд: 6 — Домингес; 7 — Сил-Бич; 8—Вест-Койот.

Фильтрационные факторы воздействия проявляется в виде трех следующих объемных сил, имеющих разную физическую природу:

• взвешивающая архимедова сила, являющаяся функцией пьезо­метрического уровня, установившегося в рассматриваемой верти­кальной призме берегового массива, F_A
• увлекающая фильтрационная сила (УФ-сила), являющаяся фун­кцией градиента напора i= ΔН/ΔL в рассматриваемом элементе объе­ма массива, Fв=f(ΔH/ΔL);
• опрессовывающая фильтрационная сила (ОФ-сила), являюща­яся функцией приращения напора в рассматриваемом элементе объе­ма массива, F_onp = J(ΔH).

После завершения формирования фильтрационного потока в мас­сиве основания и берегов по ложу водохранилища действует «оста­точная» поверхностная сила, равная некоторой части силы веса во­дохранилища, которая не была израсходована на формирование фильтрационных сил.

Из названных сил наиболее просто определяется взвешивающая сила, направленная по вертикали вверх, которая появляется и прояв­ляет себя при насыщении водой массивов береговых склонов. Измене­ние напора в ВБ не влияет на появление дополнительных взвешиваю­щих сил в основании плотины. При наполнении относительно узких водохранилищ доля эффекта взвешивания береговых массивов явля­ется преобладающей. Физически архимедова сила F_A, уменьшает вес объема «смоченного» водой массива на единицу, В результате «взве­шивания» береговых массивов осадки оснований и прилегающей к водохранилищу территории оказываются незначительными или даже наблюдается их подъем. Подобная реакция оснований, напри­мер, зафиксирована при наполнении узких водохранилищ Ингурской и Токтогульской ГЭС. Иная картина наблюдается при наполнении широких водохранилищ, когда в балансе сил, действую­щих на массив основания, доля увлекающих фильтрационных сил (УФ-сила) и опрессовывающих фильтрационных сил (ОФ-сил) стано­вится доминирующей.