Геостатическое и трещинно-поровое давление в массиве

Горные породы, слагающие основание и берега плотины, находятся в сложном напряженном состоянии, обусловленном весом пород и тек­тоническими процессами в данном геологическом регионе. Совокуп­ность этих напряжений называется горным давлением. Давление на глубине z, обусловленное весом вышележащих пород, называют геостатическим давлением:

p_г=ρ_пgz

где р_п — средняя плотность горных пород.

Боковое давление (упругое напряжение) в горных породах опре­деляется как доля геостатического давления:

p_б=ξp_г

где ξ=η/(1-η)

Горные породы не являются идеально упругими твердыми тела­ми, и в них в разной степени проявляется вязкость, которая обуслов­ливает такие процессы, как релаксация напряжений и ползучесть. В результате вековых реологических процессов в земной коре проис­ходит релаксация напряжений, в результате чего на некоторой глу­бине значения бокового и горного давлений выравниваются, а коэффициент ξ → 1.

На больших глубинах, где температура горных пород повы­шается до 700—900 °С, вязкость пород понижается от значений 10²¹—10²³ Па с до значений 10¹⁸—10²⁰Па·с. Названные температуры и соответствующие значения вязкости появляются на глубинах при­мерно 36—40 км.

Поры и трещины горных пород заполнены жидкостью, формиру­ющей пластовое (пьезометрическое) давление. В нормальных услови­ях пластовое давление р_п на глубине z равно гидростатическому дав­лению столба пресной воды:

p_п=p_вgz

где p_в — плотность пресной воды;g-ускорение силы тяжести.

Изменение реологи­ческого состояния горных по­род и коэффициента бокового давления по мере увеличения глубины

1 —боковое давление σ_х; 2—геоста­тическое давление σ_т

В гидрогеологии поровое давление называют аномально высоким (АВПД) в случае, когда

p_п>1,2ρ_вgz

и аномально низким (АНПД), когда

p_п<0.8ρ_вgz

С увеличением глубины возрастает вероятность встречи с аномаль­ным давлением. Одним из немногих примеров изучения глубинной гид­рогеологии являются результаты исследований, полученные при про­ходке Кольской сверхглубокой скважины. При проходке этой скважины были встречены трещинно-жильные воды в интервале глубин 463—470, 580—610,1135—1170,1760—1812,3317—3448,9920—10020 м. До глу­бин 4000 м трещинные воды характеризовались давлениями, близки­ми к гидростатическому давлению. Проницаемость вскрытых скважи­ной водоносных зон составляла 10"⁵— 10^-6 м/сут. Общая минерализация вод до глубины 610 м не превышала 3,7 г/л, на глубинах 900—1350 м составляла 24—51 г/л, на глубине 4500 м— 150 г/л.

В толще массива вес вышележащего слоя горных пород поддер­живается совместным действием эффективных напряжений в скеле­те, передающихся от кристалла к кристаллу по контактам зерен, и давлением жидкости в порах.