Опрессовывающие фильтрационные силы (ОФ-силы) в основаниях высоких плотин

Опрессовывающая фильтрационная сила (ОФ-сила) возникает за счет привнесенного и установившегося в некотором объеме фильтрующего пространства пьезометрического напора, который действует смоченные грани слагающих массив скальных блоков, каждого отдельного блока ОФ-сила является поверхностной силой ориентированной внутрь каждого блока, а для массива в целом объемной силой. Вследствие прерывистости сети трещин пьезометрический напор оказывает силовое воздействие только на часть площади граней блока, которая определяется коэффициентом прерывистости сети трещин α.

Деформация отдельного блока скальной породы опрессовывающей фильтрационной силой (ОФ-силой), вызывающая изменение коэффициента фильтрации и модуля деформации основания:

ΔS — увеличение осадки; Δk_ф—увеличение проницаемости; ΔЕ_д—увеличение упругих деформаций

ОФ-силы «разрыхляют» массив горных пород, уменьшают плотность упаковки отдельных блоков. От этого существенно изменяются основные физико-механические свойства основания и берегов: проницаемость и модуль деформации.

Изменение состояния сети трещин в скальном массиве в результате увеличения пьезометрического напора

1 — исходное состояние системы сомкнутых трещин; 2 — фильтрационное обжатие (опрессовка) отдельного блока горной породы; 3 — система раскрытых трещин после увеличения пьезометрического напора

При рассмотрении физической сущности ОФ-силы используем следующую модель скального основания с достаточной степенью фор­мализации: скальный массив состоит из отдельных водонепроница­емых блоков, имеющих форму куба со стороной а Блоки отделены друг от друга тремя системами ортогональных взаимопересекающихся трещин, образующих единую гидравлическую сеть. Трещины имеют исходное раскрытие b и густоту Г = 1/а

После увеличения фильтрационного напора в той или иной обла­сти скального массива на ΔН втекающая в систему трещин вода сжи­мает блоки скальной породы. В этом проявляется действие опрессовывающих фильтрационных сил (ОФ-сил). Если блок опрессовывается водой по его граням, то линейная деформация отдельного блока Δа определяется следующим выражением:

где α — коэффициент прерывистости сети трещин; р — плотность воды, g— ускорение силы тяжести; Е₆ — модуль упругости горной по­роды в блоке (в куске); η— коэффициент Пуассона. Знак «минус» ука­зывает на то, что положительному приращению напора отвечает от­рицательное приращение размеров блока горной породы, и наоборот.

От сжатия каждого блока на Δа раскрытие трещин в фильтрующей области получает приращение Δb = Δа. В результате ОФ-силы обеспечивают дополнительное раскрытие фильтрующих трещин, что увеличивает проницаемость массива и его деформируемость. Увеличение пьезометрического давления в трещиноватом массиве основания на величину Δр оказывает такое же воздействие на его осадку, какое оказывает снижение модуля упругости основания на некоторую величину ΔЕ.

В качестве примера возьмем фильтрующее основание плотины СШГЭС, в котором на глубине 100 м под первым столбом установилось пьезометрическое давление Δр = 1,2 МПа (50 % от НПУ). Вертикальное напряжение (геостатическое давление) в этой области основания, создаваемое весом плотины и массива, σ= 8,8 МПа, модуль упругости Е = 26 ГПа. При α = 0,5 и η = 0,26 получаем ΔБ = 1,31 ГПа. Видим, что повышение пьезометрического напора в основании плотины СШГЭС под пятою цементационной завесы на 1,2 МПа производит такой же эффект с точки зрения обеспечения осадок, какой производит уменьшение модуля упругости основания на 1,31 ГПа (на 5% от исходного значения).

После увеличения фильтрационного напора в той или иной точке на ΔН втекающая в трещину вода деформирует (сжимает) блоки горной породы. В скальном основании плотины существование горизон­тальных трещин возможно только при наличии контактов между их стенками. Через контакты передается действие геостатического дав­ления и веса сооружения от одного блока к другому, поэтому контак­ты стенок горизонтальных трещин выйти из соприкосновения не могут. Таким образом, вертикальная деформация блоков горной по­роды от действия сил ФО синхронно выбирается весом вышележа­щих пластов горной породы и весом плотины. В результате горизон­тальные трещины дополнительного раскрытия не получают. При этом суммарная вертикальная деформация блоков передается на дневную поверхность и, в конечном счете, проявляется в виде дополнитель­ных осадок плотины и территории от действия сил ФО. В то же время две системы вертикальных трещин от действия сил ФО получают до­полнительное раскрытие Δb = Δа.

После мгновенного повышения напора в водохранилище на вели­чину ΔН вглубь трещины устремляется волна повышения фильтраци­онного напора. Втекающая в трещину вода дополнительно обжимает скальные блоки основания — действуют ОФ-силы. Среднее значение градиента напора i втекающего потока будет переменным во времени и определяется заглублением х. Примем, что по всей длине х деформа­ния скальных блоков одинакова и происходит от действия дополни­тельного фильтрационного напора ΔН/2. В таком случае продолжи­тельность проникновения волны повышенного фильтрационного на­пора вдоль линии тока на глубину х в упругом режиме фильтрации можно определить с помощью следующего выражения:

где t₀ и x₀ — начальные условия процесса;

Применим выражение для определения динамики проник­новения волны повышенного напора в скальное основание плотины в предположении, что массив является однородным по проницаемо­сти и упругим свойствам. В таком случае линии тока будут представ­лять собой полуокружности и соотношение между длиной L линии тока и ее максимальным заглублением R будет следующим; R = L/ π. Примем, что скальный массив сложен кубическими блоками со сто­роной а= 1,0 м, раскрытие трещин b = 0,03 мм, модуль упругости бло­ков Е_б = 5 • 104 МПа, коэффициент Пуассона η = 0,2. При напоре в во­дохранилище Н= 70 м в основании плотины установился стационар­ный фильтрационный режим. В какой-то момент уровень ВБ получил приращение ΔН =70 м. Требуется определить положение фронта вол­ны повышения напора (границу области повышения напора) через 110 и 160 суток.

На рисунке ниже обозначены границы области повышенных напоров на два расчетных момента времени. Максимальное сезонное заглуб­ление границы области повышенного напора за 5 месяцев составило около 600 м. Здесь же для трех сечений приведены эпюры дополни­тельных фильтрационных напоров, устанавливающиеся на расчетные моменты времени. В сечении под плотиной напор увеличился на 35 м до глубины около 500 м. Рассмотренный пример дан применительно к условиям наполнения водохранилища СШГЭС весной 1982 с когда при исходной глубине 70 м в мае его глубина увеличилась по чти на 80 м. В течение первых лет эксплуатации водохранилища массив основания насыщается водой высокого напора на большую глубину. Происходит зарядка большого объема упругой трещиноватой среды водой высокого напора.

Проникновение фронта волны повышения фильтрационного напора в основании плотины и соответствующие эпюры дополнительных напоров в м вод. столба:

1 — через 110 сут; 2 — через 160 сут; 3 — линии тока