ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 2, с. 111-116
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 624.131
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
© 2007 г. А. А. Варга
ООО "Гидропроект" Поступила в редакцию 12.04.2006 г.
Рассматривается новое системное понятие "техноприродный процесс", связывающий все разнообразные факторы и механизмы конкретного взаимодействия гидротехнического сооружения и геологической среды в одну сложную геодинамическую систему с учетом временной, пространственной и масштабной гетерогенности на весь период строительства и эксплуатации конкретного объекта. Анализируются некоторые недостатки традиционной, преимущественно детерминистической методологии изучения этого взаимодействия и ее заметной несогласованности реальным технопри-родным процессам. Обсуждаются преимущества и ограничения новой методологии инженерно-геодинамического исследования гетерогенного процесса на основе совместного системного подхода и вероятностной оценки риска.
ВВЕДЕНИЕ
Цель данной работы - рассмотрение современных методологических проблем изучения взаимодействия гидротехнических сооружений с геологической средой, тесно связанных с оценкой их надежности и безопасности для окружающей территории. Актуальность этой тематики подчеркивается наличием многих спорных и нерешенных методических и терминологических вопросов, а также разным подходом к их решению в различных фирмах и странах. Существуют противоречивые мнения по применимости вероятностной оценки риска, допустимости экспертных оценок, использованию аналогов и по другим методологическим аспектам.
В статье делается упор на изучение инженерно-геологических особенностей и моделирование процессов взаимодействия, на сближение их с реальными механизмами на современной основе системного подхода. Принципиальные позиции и методологические воззрения автора базируются на рекомендациях Международного комитета по высоким плотинам (ICOLD) [21, 16, 18] и на Методических указаниях по проведению анализа риска аварий гидротехнических сооружений [7].
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ КАК "ГЕТЕРОГЕННЫЙ" ТЕХНОПРИРОДНЫЙ ПРОЦЕСС
Опыт строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений обычно показывает чрезвычайную сложность процессов взаимодействия, а именно: комплексность, многофакторность,
многоэтапность, разномасштабность и изменчивость, которые вместе взятые делают механизм каждого взаимодействия уникальным и требующим индивидуального подхода.
Главное в данной работе - применение системного подхода, требующего рассмотрения взаимодействия конкретных гидротехнических сооружений (ГТС) с геологической средой, как специфического техноприродного процесса, объединяющего, в общем случае, все тесно связанные факторы и механизмы геологических, геомеханических и техногенных процессов в единую систему на весь период строительства и эксплуатации конкретного гидроузла и в пределах всей области взаимодействия.
При этом важно четко отграничить техноприродный процесс (или сценарий) в этом новом, сугубо прикладном системном понимании от обычных инженерно-геологических и элементарных геомеханических процессов, как более близкий к реальности и как обязательно увязанный с полным сроком существования рассматриваемого гидроузла.
Важной особенностью техноприродных процессов является их гетерогенность [1], под которой в данной статье подразумевается их изменчивость и неоднородность в вышеизложенной системной интерпретации. Анализ взаимодействия выявляет значительное распространение и многообразие гетерогенных механизмов потери устойчивости сооружений на скальных породах и соответствующее снижение их надежности, что позволило выделить три главенствующих типа гетерогенности: временну ю, пространственную и масштабную, однако на практике они обычно
встречаются совместно, как своего рода "параге-нетические" сочетания. Все это недостаточно согласуется с формальными дедуктивными методами современной классической геомеханики, построенными на основе весьма упрощенных представлений о геологических процессах, структуре и их идеализированных свойствах, как в принципе однородных и, в целом, изотропных.
Временная гетерогенность часто встречается при анализе процессов взаимодействия на весь срок существования ГТС. Характерным примером является общеизвестная авария на плотине Вайонт (Италия), где на первом этапе склонового процесса длительностью более трех лет происходила медленная гравитационная ползучесть массива известняков объемом около 300 млн. м3 с общим смещением более 2-3 м и максимальной скоростью до 4 мм/сут. При наполнении водохранилища произошел подъем подземных вод, который послужил триггерным фактором для катастрофического скольжения всего оползневого массива по межпластовым разрывам [8]. Другим примером временной гетерогенности может служить образование провально-карстовых воронок диаметром обычно до 60 м и глубиной около 50 м на правобережном примыкании плотины Хадита (Ирак) [2], где в начале процесса образуются кар-стово-эрозионные каналы, а в конце - провалы. Сходные гетерогенные механизмы наблюдаются и при суффозионно-провальных процессах.
Многоэтапная временная гетерогенность формирования селя и его воздействие на ГТС может развиваться по очень сложным сценариям, как, например: сезонные климатические изменения —»- прорыв ледниковых озер —► размыв рыхлых склоновых отложений с образованием селей —» разрушение ГТС или селезащитных сооружений.
Наглядными примерами пространственной гетерогенности, означающей одновременное проявление разных механизмов, развитых в одном техноприродном процессе, являются скальные оползни на участках плотин: Вахлич (Канада), Таблачака (Перу), Ури (Индия) и др. [12, 13, 14, 15, 17, 24], где было выявлено синхронное проявление пластического крипа и медленного скольжения крупных структурных блоков по ослабленным плоскостям напластования и тектонических нарушений. Другим примером пространственной гетерогенности может служить деформация растяжения и изгиба пород с последующим формированием крупных трещин бортового отпора под влиянием природной и техногенной разгрузки напряжений в очень крутом и высоком склоне правобережного примыкания Токтогульской плотины. Опасность резкой активизации этого процесса (топлинг) при проведении строительных врезок явилась одной из причин вынужденной за-
мены в процессе строительства первоначально запроектированной арки на гравитационную бетонную плотину [6].
В подземных выработках пространственная гетерогенность встречается в виде локальных "горных ударов" в жестких и монолитных породах на фоне обычной деформации стенок, характерной для более слабых и более трещиноватых пород, а также в крупных подземных камерах в форме медленного сдвига больших (весом до нескольких тысяч тонн) блоков, ограниченных протяженными тектоническими трещинами [1].
Скальные массивы характеризуются обычно на разных масштабных уровнях различными структурными и литологическими особенностями, т.е. неодинаковыми геолого-структурными и геомеханическими моделями, что не может не отразиться на механизме техноприродного процесса и на его гетерогенности. При этом очевидно, что чем больше размеры гидроузла, тем сильнее может проявиться такая масштабная (или иерархическая) гетерогенность его взаимодействия с геологической средой. Наиболее известные ее проявления связаны с переходом деформационного процесса, фиксируемого при мелкомасштабных исследованиях, в блоковые подвижки по мелким трещинам, которые можно обнаружить только при очень крупномасштабных наблюдениях [1].
Другой пример масштабной гетерогенности -отображение тектонического нарушения как одиночного рызрыва на мелкомасштабных геологических картах и как тектонической зоны с оперяющими трещинами скола и отрыва нескольких порядков с разной ориентировкой при крупномасштабном картировании. В региональных условиях можно встретить и более сложные случаи масштабной гетерогенности, имеющие большое практическое значение для гидротехнических сооружений. Например, по очень протяженному разлому Сан Андреас на СевероАмериканском континенте выделяются несколько чередующихся участков с разными типами сейсмотектонической активности. Очевидно, что этот разлом в глобальном масштабе является единой зоной по активной границе двух лито-сферных плит, а в более крупном масштабе либо сдвигом с постоянным крипом, либо сейсмоактивным разломом с сильными землетрясениями и значительными сейсмодислокациями.
Пример комплексной временной, пространственной и масштабной гетерогенности - изменение устойчивости подземных камер ГЭС Ури (Индия), где во время выемки произошло непредвиденное ослабление одного из целиков из-за повышенной деформации техногенной разгрузки, которая проявилась в виде пластической деформации (конвергенции), а в крупном масштабе, как
дифференцированное скольжение по сланцеватости в соответствии с масштабной гетерогенностью. Все горные работы были остановлены на 3 месяца для проведения исследований, которые показали, что при дальнейшей выемке камер должно произойти сначала разрушение целика, а затем обрушение общего свода обеих камер, что предполагает развитие пространственно-временной гетерогенности этого техноприродного процесса. Надвигаюшуюся катастрофу удалось предотвратить срочным укреплением целика с помощью 130 сквозных предварительно напряженных анкеров [23].
Другим примером комплексной гетерогенности служит строительство Ингурской арочной плотины высотой 271.5 м, сопровождавшееся значительной перестройкой поля естественных напряжений сначала в связи с техногенной разгрузкой пород при выемке котлована, а затем с уплотнением основания в результате укладки бетона и проведения цементационных работ. Во время наполнения водохранилища под верховой гранью плотины образовалась зона растягивающих напряжений, что привело к разрыву цемзаве-сы и увеличению фильтрационных расходов, однако в процессе эксплуатации произошло постепенное заиление трещин в основании и уменьшение фильтра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.