Пористость и трещиноватость скальных пород
Скальные горные породы отличаются широким спектром свойств, отражающих разнообразие их состава и строения. Остановимся только на тех важнейших характеристиках скальных пород, которые необходимы для выполнения количественного и качественного анализа происходящих в основаниях высоких плотин техногенных процессов.
Скальная порода — это природное образование, представляющее собой комплекс минералов примерно постоянного состава. При этом минерал представляет собой химическое соединение элементов, блок скальной породы — механическое соединение зерен минералов, а скальный массив — это механическое соединение блоков скальных пород.
Физические свойства скальных пород в отдельно взятом куске (в образце) и в массиве существенно различны, поскольку скальный массив никогда не бывает сплошным. Скальные породы, подвергаясь выветриванию, распадаются по трещинам на отдельности призматической формы. По направлению в глубь массива выделяются три следующие подзоны выветривания:
- подзона химического выветривания, в пределах которой порода разбита на мелкие плитки и щебень; в основаниях бетонных плотин эти породы полностью удаляются;
- подзона физического выветривания, в пределах которой широкие трещины разбивают породу на блоки размером до 50 см;
- подзона глыбовых отдельностей, в пределах которой трещины раскрытием до 1 мм рассекают породу на отдельности размером до 1 м. Образование трещин связано с разгрузкой естественного напряженного состояния массивов, В основаниях бетонных плотин эти породы пересекаются цементационной завесой.
При полном расчленении массива блоки располагаются изолированно, и скальный массив представляет собой систему многих блоков (отдельностей). Если блоки не полностью отделены друг от друга и связаны между собой «мостиками», то массив по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между системой многих тел и монолитом.
Даже одно разрывное нарушение в массиве может свести к нулю сопротивление растяжению в направлении, нормальном к плоскости разрыва, и снизить сопротивление сдвигу в направлении, параллельном этой плоскости. Скальные массивы всегда анизотропны. При наиболее часто встречающемся системном расположении трещин возникает хорошо выраженная анизотропия деформационных, прочностных и фильтрационных свойств массива.
Сплошность горных пород, в конечном счете, определяет их способность передавать различные воздействия: упругие колебания и волны, давление и расход жидкости. Сплошность горных пород определяется такими текстурными признаками как пористость и трещиноватость. Под общей пористостью понимается объем, не занятый кристаллической матрицей породы. Отношение объема всех пустот к объему породы называется коэффициентом общей пористости. Под эффективной пористостью П понимается объем пор и соединяющих их каналов, по которым возможно перемещение жидкостей.
Поры, как и микротрещины, являются концентраторами напряжений и служат очагами зарождающихся макротрещин. Трещиноватость горных пород имеет повсеместный характер. Трещины в подавляющем большинстве расположены не хаотично, а по определенным системам. Каждую трещину можно считать фильтрационным каналом, имеющим плоские взаимнопараллельные стенки, определенное раскрытие и элементы ориентировки в пространстве. При погружении пород на все большие глубины их пустотность в целом уменьшается.
При рассмотрении задач фильтрации в трещиноватых скальных основаниях плотин используются следующие принципы:
- каждую трещину можно считать фильтрационным каналом, имеющим определенное раскрытие и плоские взаимнопараллельные стенки:
- трещины в горных породах расположены не хаотично, а по определенным системам со своими параметрами трещиноватости.
Эти положения позволяют при наличии данных о структуре трещинного пространства строить гидродинамические модели трещиноватых сред, соответствующие реальным горным породам. Наиболее существенное упрощение может быть получено заменой анизотропной сети трещин некоторой фиктивной изотропной сетью. Для решения инженерных задач наибольший интерес представляют блочность пород а и трещинная пустотность Пт в естественном залегании. Интенсивность трещиноватости характеризуется густотой трещиноватости Г, определяющей число трещин, пересекающих единицу длины нормали их плоскостей
Изменение пористости с глубиной в осадочной породе. Значения пористости, вычисленные
1 — для пород разреза; 2 — для песчаной фракции пород; 3 — для глинистой фракции пород;4 — измеренные в песчаной фракции.
Трещинная пустотность, как правило, меньше межзерновой пористости и составляет не более 20 % общей пористости породы. В то же время трещинная проницаемость горных пород может превышать проницаемость нетрещиноватых массивов на несколько порядков. Изменение проницаемости с изменением нормальных напряжений, в особенности при переходе от сжатия к растяжению, косвенно характеризует степень трещиноватости пород, так как трещины по сравнению с порами сильнее реагируют на изменение нормальных напряжений.
Стенки реальных трещин контактируют друг с другом в большом числе точек или площадок, расположенных случайным образом по всей поверхности стенок. Действие геостатического давления от одного блока трещиноватой породы к другому передается через эти контакты. С ростом нагрузки увеличивается площадь поверхности контакта стенок трещин, в предельном состоянии стенки стремятся к полному смыканию. При этом коэффициент фильтрации стремится к значению, свойственному отдельному пористому блоку.
На свойства проницаемости и деформируемости трещиноватых пород существенным образом влияет прерывистость сети трещин, которая характеризуется показателем расчлененности массива или коэффициентом прерывистости сети трещин:
α=Σw/w0
где Σw— суммарная площадь поверхностей трещин, лежащих в плоскости площадью w0. При α=1 вся площадь занята трещиной и, следовательно, массив полностью разорван по плоскости w0. При а = 0 в рассматриваемой плоскости трещины отсутствуют. Доля а тождественна коэффициенту эффективной площади действия фильтрационных сил в трещиноватой среде.
Показатели расчлененности пород в основании секций плотины СШГЭС приводятся на рисунке ниже.
Показатели расчлененности пород в основании секций плотины СШГЭС
Простейшие капиллярные модели фильтрующих пород представляются трубками постоянного диаметра или щелевыми каналами постоянного раскрытия, размещенными с постоянной периодичностью. Такие модели называют детерминированными.
Простейшие капиллярные модели пористых сред
а — схема укладки круглых капилляров в одномерной модели пористой горной породы; б — схема укладки щелевых капилляров в одномерной модели трещиноватой горной породы; в — схема расположения щелевых капилляров в трехмерной модели трещиноватой горной породы; г— схема трещиновато-пористой среды
Для одномерной модели фильтрующей среды, образованной плоскими щелевыми каналами (трещинами), эффективное раскрытие трещин Ь определяется из следующего выражения:
b=(12k/Пт)0,5
где к— проницаемость массива: Пт — трещинная пустотность.
Система трещин и система пор в массиве основания плотины представляют собой две фильтрующие среды, вложенные одна в другую. Средний размер пор имеет порядок 10 мкм, среднее раскрытие трещин при их протяженности от нескольких сантиметров до нескольких метров составляет 100 мкм. В то же время пористость блоков (отдельностей) на один два порядка выше, чем пустотность массива, обусловленная трещиноватостью. При этом трещинная проницаемость массива значительно больше проницаемости пористых блоков, поэтому при определенных геологических условиях большая часть жидкостей находится в порах, а основные фильтрационные потоки движутся по трещинам.