Исследование площади под водохранилище

При иссле­довании площади будущего водохранилища возникают вопросы: может ли это водохранилище удержать ту воду, которую оно должно собрать, подходящее ли для этого условия строение горных пород, которые должны вместить водохранилище. Решение этих вопросов в конечном итоге будет идти по двум направлениям. При наполнении водо­хранилища, несомненно, будет иметь место какой-то расход воды. Он может быть либо единовременным и пойдет на то, чтобы напитать водой только ту толщу горных пород, кото­рая соприкасается с ней и в результате напитывания стано­вится водоупорной, или же к этому единовременному расхо­ду может прибавиться еще и постоянный расход в виде испарения и фильтрации. Расход воды на испарение подсчи­тывается гидрометеорологами. Фильтрация будет происхо­дить в ложе водохранилища, в его бортах, под плотиной и в обход последней; породы, напитавшись водой, могут не потерять своей водопроводимости. Обыкновенно эти зада­чи решают отдельно для ложа долины и для его склонов, так как чаще всего строение их бывает совершенно различ­ное. Ложе чаще сложено аллювиальными отложениями, представленными в большинстве случаев рыхлым материа­лом наносов реки. Аллювий большей частью состоит из перемежающихся слоев крупнозернистых, среднезернис­тых и мелкозернистых материалов; в горных районах преоб­ладают крупнообломочные отложения, а в равнинах — мелкообломочные. Сюда входят всякого рода галечники, щебенка, песок разной крупности и, в меньшей степени, мелкозернистый материал — суглинки и супеси. По своей природе аллювиальные толщи являются исключительно благоприятными для фильтрации, и потому можно заранее предполагать, что здесь будет постоянный расход воды. Чтобы избежать его, надо принять какие-то меры.

Учитывая целый ряд общих моментов (строение аллю­виальной толщи, ее пористость и т. д.), можно установить коэффициент фильтрации для аллювиальной толщи. Зная ту площадь, которая будет находиться в соприкосновении с водой, и проектный напор, можно сделать некоторые заключения о расходе или потерях на фильтрацию через аллювиальную толщу. Фильтрующаяся в аллювиальные отложения вода будет передвигаться параллельно тому потоку, который предполагается задержать плотиной. Этот фильтрационный поток может быть в значительной степени прекращен, если плотина врежется своим основанием в аллювиальную толщу до водоупорной породы.

Аллювиальная толща должна изучаться не только со сто­роны возможности фильтрации через нее, но и со стороны пригодности быть основанием для сооружения. Аллювиаль­ные отложения обыкновенно представляют линзы, зале­гающие на каких-то других породах. Эти линзы при боль­шой их мощности будут служить основанием для сооруже­ния; если толща аллювиальных отложений не очень велика, тело сооружения будет покоиться на подстилающей серии коренных пород. В этом случае возникает вопрос, что же представляют собой коренные породы с точки зрения водо­проницаемости? Насколько они водоупорны? Задача, таким образом, усложняется. Придется выяснить не только водо­проницаемость аллювиальной линзы, которая вложена в долину, но и водопроводящие свойства подстилающих коренных пород..

Поскольку аллювиальная толща с поверхности открыта, вопрос о ее водопроницаемости решается сравнительно лег­ко. Можно провести лабораторные опыты и получить целый ряд интересных сведений об этой толще, определив порис­тость, крупность зерен и т. д. Кроме того, можно заложить ряд выработок (шурфов), узнать, есть ли в этой толще вода, провести откачку; можно произвести обратные опыты, т. е. напитывая водой грунты, установить возможные размеры фильтрации в эту толщу, если она безводна.

Изучение коренного основания аллювия сложнее, пото­му что лежит оно гораздо глубже, скрыто под наносами. Труднее осуществлять и лабораторные опыты, и опыты в природных условиях. Для первых можно представить образцы, взятые только из буровых скважин, так как бла­годаря тому, что долина обычно песет воду, всякая шурфован работа связана с довольно сложными водоотводами. Водо­отводы для этих работ чрезвы­чайно дороги, и поэтому вместо того, чтобы делать шурфы и брать образцы пород в обста­новке, где можно рассмотреть строение стенки выработки и выбрать нужную для анализа породу, приходится извлекать только кусочки деформирован­ной породы из буровых сква­жин. Бурение идет обычно при помощи долота, которое дробит породу. Из скважины добывают только обломки породы с на­рушенной структурой, которые не могут использоваться для каких-нибудь опытов. При жестких породах можно при­менять вращательное колонко­вое или алмазное бурение, в результате которого получают стержни (керны) цилиндриче­ской формы большей или мень­шей толщины в зависимости от диаметра того инструмента, ко­торым велось бурение. Стержни представляют собой лучший материал для лабораторных исследований, потому что они являются цельновынутыми кусками породы. Если в поро­дах есть трещины или слоистость, то на этих цилиндрах можно наблюдать изломы и трещины, направление их и, в частности, то направление слоистости или трещиноватости, которое преобладает. И все же это можно делать только в том случае, когда приходится иметь дело, как сказано, с жесткими породами. Если же порода рыхлая, груботре­щиноватая (например, пещеристые слабые известняки, гли­ны или пески), тогда этот способ неприменим, и полученный материал будет заведомо деформирован.

В некоторых случаях под аллювием могут быть глинис­тые толщи. Характеристику их дать гораздо легче, потому что глинистые породы, даже деформированные и смятые буровыми инструментами — змеевиками, желонками и т. д., все же дают более благоприятный материал для лаборатор­ной обработки и для установления возможной величины коэффициента фильтрации.

О водопроводящих свойствах коренных пород обычно делают заключения главным образом на основании откачек или опытных нагнетаний. Если толща горных пород водо­носна, то опыты могут сводиться к откачке из нее воды, причем последняя должна быть изолирована от вод, кото­рые лежат выше этой толщи, в наносах. Технически это делается довольно просто. Первую толщу проходят скважи­ной большого диаметра, затем несколько углубляются во вторую толщу и забой скважины тампонируют слоем глины. Это делается для того, чтобы изолировать поверхность вто­рой толщи от проникновения воды сверху. Затем в эту по­душку (тампон) врезают скважину меньшего диаметра. Бла­годаря глинистой подушке, которая не пропускает воду, можно испытывать коренную толщу. Если она обладает водой, то откачкой можно установить водопроводящие свой­ства данной породы. Если воды нет, то выяснить коэффици­ент фильтрации можно нагнетанием воды в скважину и определением расхода воды, который при этом будет иметь место. Работа по выяснению коэффициента фильтрации довольно сложна и требует очень хороших водоподающих или водонабирающих инструментов.

Подсчеты полученных материалов должны быть в доста­точной мере точными, так как по существу работа проходит на небольшом участке расположения скважины, а вывод приходится делать часто для большой территории. Таким образом, освещение водоносных условий тех пород, кото­рые слагают дно водохранилища, и выяснение возможных потерь через него являются первой задачей.

Возможные потери через борта водохранилища

Вторая задача уже касается возможных потерь через борта водохранилища.

Склоны водохранилища могут быть очень разнообразны. Нередко они осложнены целым рядом террас. Иногда послед­ние по своему литологическому составу и строению прибли­жаются к толщам аллювия речной долины с террасами, соз­данными самим потоком. Иногда террасы сложены корен­ными породами; тогда это будут не террасы отложения, а террасы, получившиеся в результате размыва коренных пород тем потоком, который проходит по долине.

Следовательно, по строению склоны могут резко между собой отличаться. Склоны, сложенные коренными порода­ми, обычно бывают покрыты делювием, осыпями и т. д. Если коренные породы сложены песками или глинами, то их покровы глинистые или песчаные; если же коренные породы представляют собой скалистую массу, тогда и мас­кирующая толща будет скального порядка (осыпи щебня, хаосы каменных глыб).

Очевидно, что возможность ухода воды в покровные толщи в некоторых случаях может быть очень значитель­ной, но она обычно не представляет большой опасности, потому что предполагаемые сооружения для удержания во­ды должны непременно пройти сквозь эти толщи до корен­ных пород. Следовательно, покровная толща склонов мо­жет напитаться водой, но дальше вниз по долине проводить эту воду она не будет, потому что будет прорезана плоти­ной. Если подпор предполагается небольшим и плотина будет умещаться в пределах террасы, ее можно не дово­дить до коренных склонов, потому что прорезать все тер­расы очень трудно. Однако при строительстве и высокой плотины и крупного водонапорного сооружения водопрони­цаемые террасы должны быть непременно прорезаны. В этом случае гидрогеолог должен определить пористость пород прорезанной толщи и, таким образом, выяснить тот единовременный расход, который потребуется для насыще­ния ее водой. Этот расход может быть очень большим.

Затем должен быть разрешен вопрос о том, как поведет себя вода, когда она соприкоснется с коренной породой. Здесь наиболее важным моментом является опять-таки выяснение водопроводящих свойств последней для опреде­ления величины расхода воды.

Трещиноватые породы могут быть сильно водопроводя­щими, но если наклон трещин направлен в сторону водо­хранилища, то естественно, что вода вверх по уклону не пойдет, и поэтому большой опасности утечки воды здесь нет. Если же уклон направлен от реки, то возможность фильтра­ции воды может быть очень велика и потери из водохранили­ща могут быть весьма значительными.

Следовательно, для коренных толщ, скрытых под осы­пями или обнажающихся в долине, нужно решить вопрос об их падении и о характере и размерах тех трещин, кото­рые в них существуют. Для освещения этих вопросов при­ходится делать целый ряд выработок, но иногда они могут решаться только на основании осмотра долины. Дело в том, что такие долины бывают всегда перерезаны боковыми овра­гами, в которых можно видеть, как залегают пласты, их мощность, углы падения и т. д. Если таких естественных обнажений не имеется, то приходится прибегать к осо­бым выработкам — шурфам и галереям. Они прорезают тол­щу наносов, затем углубляются в коренные породы и, прод­вигаясь в них на некоторую глубину, дают возможность установить их строение и элементы их залегания. Одновре­менно выясняется и характер пород, количество трещин, их направление и т. д. С помощью выработок можно произ­вести некоторые расчеты возможных потерь воды, превра­тив их временно в поглотительные колодцы и исследуя происходящую потерю воды.

Конечно, при подобных опытах приходится принять во внимание, с какими твердыми трещиноватыми породами и с каким видом движения в них воды мы имеем здесь дело, и, следовательно, в зависимости от этого видоизменять опыты.

Иногда удается получить некоторые сведения о возмож­ной утечке воды в коренные породы таким образом: в скло­не делается выработка такой глубины, чтобы ее дно оказа­лось несколько ниже уровня воды в реке. Система трещин, пронизывающих коренную толщу, может объединять две группы вод — подземную воду, встреченную в выработке коренной породы, и воду речного потока. В выработке наблюдают за подземными водами в течение так называе­мых критических сезонов речного потока, т. е. во время резкого понижения воды и при паводке. Паводок проходит обыкновенно в течение двух-четырех дней. При опытах стараются захватить это время, чтобы посмотреть, как паводок отражается на колебании воды в выработках. Если при паводке в них наблюдается подъем, а при паде­нии воды в реке — падение уровня подземных вод, это укажет на связь между подземными и речными водами, а следовательно, и на трещиноватость коренных пород. Если же во время паводка происходит резкое колебание уровня поверхностной (речной) воды, а на подземных водах эго не сказывается, то это значит, что между поверх­ностными и подземными водами нет сообщения. Этот момент чрезвычайно важен и поэтому требует точных исследова­ний. Если будет доказано отсутствие тесной связи между поверхностными и подземными водами, то напрасны и опасе­ния катастрофических расходов воды путем фильтрации ее в коренные породы.

Опасения, подобные описанным выше, возникали при исследовании Самарской Луки. Самарская Лука сложена закарстованными известняками с большими трещинами, пещерами и т. д. Что же будет с водой, если плотину возве­дут у северного борта Луки, не уйдет ли вода по трещинам в виде огромного количества родников по другую, южную сторону Самарской Луки? Этот вопрос разрешился следую­щим, предложенным автором, способом. Немного выше того уровня, которого достигает максимальный паводок Волги, была заложена горизонтальная штольня в глубь берега и из нее опустили две шахты с забоями ниже межен­ного уровня воды в реке. Оказалось, что уровень воды в шахтах выше, чем уровень воды в реке. Следовательно, мы имеем дело с подземным потоком, направленным в реку, а не из реки. Сомнения отпали, так как можно было оце­нить, какова опасность фильтрации в коренных породах. Указанный путь довольно дорогой и медленный, но единственный, который может, дать хорошие резуль­таты.

Необходимо обратить внимание еще на одно обстоятель­ство при изучении склонов водохранилища. Может ока­заться, что условия фильтрации на одном берегу благо­приятные, а на другом неблагоприятные. Поэтому нужно исследовать оба берега, чтобы иметь сравнительную оцен­ку слоев с точки зрения падения их и направления в них трещин. Так как такие случаи, когда один берег опасен, а другой не опасен, встречаются весьма часто, к решению вопроса надо относиться очень внимательно.

Одним из документов, который должен дать гидро­геолог гидротехнику, является более или менее детальный профиль наносного слоя на склонах и в долине водохрани­лища. Для его составления используют искусственные выработки; обычно их можно провести сравнительно в небольшом количестве. Для небольшой долины и неболь­шое количество их будет представлять большой интерес, но для крупной долины немногочисленные выработки не достаточны; они дают неполное освещение геологиче­ских условий ее склонов.

Количество выработок определяется на основании пред­варительной геологической съемки. Выработки заклады­ваются на определенном расстоянии друг от друга, причем часть их делается в самом русле, а часть в пределах дна и по­длежащих затоплению склонов долины. На основе получен­ных данных составляется гидрогеологический профиль, для  чего на топографический профиль (поперечник долины) наносятся разрезы скважин или шурфов. Для предвари­тельной схемы поперечники в пределах предположенной к затоплению части долины делаются на расстоянии при­близительно 1 — 1,5 км. Для технико-экономического проек­та поперечники делаются чаще и на каждом поперечнике устраивают большое количество шурфов или скважин.

Если две скважины или два шурфа дают различные разрезы, то возникает вопрос, как объединить их.

Опыт учит, что всякого рода геологические и гидро­геологические профили, основанные на фактических дан­ных бурения и шурфования, по существу освещают те уча­стки, к которым последние относятся; по ним путем интер­поляции характеризуют пространства, заключенные в про­межутках. Существуют два способа интерполяции. Один из них рекомендует проводить на разрезах границу распространения той толщи, которая наблюдается только на одном из разрезов до середины расстояния между дан­ными разрезами ; другой считает что, границу (точку) выклинивания слоя нужно доводить до того разреза, на котором этот слой не обнаружен.

Способы объединения разрезов разного литологического состава

Возьмем, например, волжские котлованы. Во всех разре­зах здесь наблюдаются совершенно разные комбинации глины и песков. Каждая отдельная толща имеет свою характеристику, но по общему облику они все очень сход­ны. На основании общего сходства и делаются обобщения, но делать их нужно с большой осторожностью. В случае, если мы имеем в разрезах разные характеристики отдель­ных пластов, обобщения будут до известной степени при­близительными, условными. При густой сети разведок мы получим более точные данные, но у нас могут воз­никать и в этом случае большие сомнения в достоверности обобщения и интерполяции.

Итак, работа для выяснения возможности сооружения водохранилища разбивается на отдельные этапы. Прежде всего изучается аллювиальная толща долины реки и ее склонов, затем основание, которое будет под сооружением, наконец, составляется определенный профиль на материа­ле более или менее густой сети разведочных выработок.

Для схематических предположений закладывается небольшое количество скважин и один профиль по середин­ному створу плотины. Для технико-экономического проек­та составляется не меньше трех профилей, причем первый из них прокладывается по оси плотины, а второй и третий выше и ниже ее. Скважины для профилей располагаются в шахматном порядке таким образом, чтобы каждые три из них давали треугольник, позволяющий определить направление движения подземного потока. Количество сква­жин зависит от многих причин, и фактическое их количе­ство нередко сильно расходится с предполагаемым. Из неко­торых скважин ведутся опытные откачки и определяется водопроводимость толщи наносов; путем интерполяции делаются некоторые расчеты о возможности водоотдачи их. Это необходимо для тех работ, которые связаны с выра­боткой котлована (расчет водоотлива).

Диаметр буровых скважин и их проектная глубина

В вопросе о диаметре скважин обыкновенно сталкивают­ся противоположные интересы хозяйственников и исследо­вателей. Чем меньше диаметр, тем дешевле обходится скважина, но чем он меньше, тем больше деформируются образцы грунта. К тому же в таких грунтах, как галечники, мелкие скважины чрезвычайно непродуктивны. Так, напри­мер, скважиной диаметром в 150 мм (начиная с глубины от 5—6 м) проходят крупные галечники приблизительно 2—4 см в смену. Если же увеличить диаметр буровой до 240—300 мм, то продуктивность бурения сразу возрастет в 6—8 раз.

Более крупные скважины дают и менее деформирован­ный материал. Очень часто исследуемая толща представля­ет собой мелкое чередование различных прослоек — более глинистых и более песчаных. Говорить о свойствах этих пород можно только при наличии хороших образцов грун­та; по отдельным мелким обломкам, которые может дать скважина небольшого диаметра, судить об их свойствах чрезвычайно трудно. Если толща представлена глинами, то положение несколько лучше. В суглинках, где имеется ряд совершенно обособленных прослоек, залегающих линза­ми, при мелких диаметрах скважин облик породы совершен­но теряется. При прохождении такой скважиной мелких прослоек глины и песка получается в образце искусствен­ная смесь их, имеющая вид более или менее однородного суглинка, который характеризуется свойствами, отли­чающимися от свойств и глины и песка. Все это заставляет высказываться в пользу скважин с большими диаметрами.

Обычно считается, что при скважинах глубиной 25—30 м желательно начинать бурение с диаметра, равного 150 мм. После углубления скважины ударного бурения до 15—20 м меняют диаметр со 150 на 100 мм. Если бурение начинать со 100 мм, то придется перейти на 50 мм, и в результате получатся очень плохие данные. Если скважина более глубокая или речь идет о галечниках, то приходится начи­нать (по указанным выше причинам) с гораздо более круп­ных диаметров. В первом случае это вызывается необходи­мостью несколько раз менять диаметр обсадных труб, а во втором — это нужно для правильного суждения о породе. Дело в том, что если при бурении встречаются гальки того же диаметра, что и сама скважина, то извлечь их целиком не представляется возможным, их приходится разбивать долотом на куски, которые уже не могут дать представления о породе.

Есть один технический прием, которым иногда удается устранить мешающие гальки, а именно: пользуются так называемым эксцентрическим долотом. Его острие прихо­дится не на центр, а несколько сбоку. Когда такое острие бьет по камню, камень сдвигается в сторону. Можно добить­ся, чтобы камень совсем вышел в сторону из забоя, и затем продолжать бурение. Однако для разведочного бурения этот прием совершенно недопустим, потому что теряется характеристика породы. К этому приему прибегают в сква­жинах эксплуатационного характера, т. е. там, где все разведано и где нужно только дойти до определенной глубины, а то, что лежит выше, не представляет интереса, как уже известное. Если же скважина закладывается с целью освещения геологического разреза, то всегда выгодно идти на некоторое увеличение диаметров скважи­ны, потому что чем больше диаметр скважины, тем лучше будет освещен грунт.

Проектные глубины скважин задаются по-разному. Обычно считают, что для изучения дна канала с точки зрения возможных потерь на фильтрацию буровую скважи­ну надо проходить ниже проектной отметки его не менее чем на 2 м. Например, отметка дна канала ниже поверхно­сти земли на 10 м. Глубина скважины должна быть не менее 12 м, чтобы захватить бурением под будущим каналом какую-то толщу, исследовав которую можно было бы более или менее уверенно говорить о возможных фильтрацион­ных явлениях в данном месте.

При изучении фундамента какого-то сооружения глуби­на проектная зависит от размеров сооружения и от возмож­ной нагрузки, которую будет давать оно на грунт. Причем если нагрузка статическая, то при разведках допускается некоторая схематичность, если нагрузка динамическая (здание, в котором работают машины), то тут к разведкам нужно относиться более строго.Некоторые считают, что если речь идет о крупном соору­жении с большой динамической нагрузкой, то глубина разведочной скважины должна быть ниже фундамента не менее чем на 10 м.

Если под рыхлым грунтом залегает скала, необходимо дойти до так называемой сплошной скалы. Дело в том, что у скальных грунтов поверхность обыкновенно более или менее выветрелая, т. е. они трещиноваты. Поэтому поверх­ность скалы не характеризует породу: за выветрелым слоем идет скала нормального характера, которая по существу и должна представлять основание сооружения. Так как нужно выяснить толщину выветрелого слоя и его характер, то разведочная скважина непременно должна пройти его. Мощность этого слоя иногда достигает 2—4 м, иногда же всего нескольких сантиметров. Если получены доказатель­ства того, что скважина уже на этой глубине дошла до сплошной скалы, то можно ограничиться несколькими сантиметрами углубления в материк только в том случае, если речь идет о том, чтобы на материк положить основа­ние сооружения. Если же речь идет об определении фильт­рующих свойств сплошной скалы, то нужно скважину провести глубже, не менее чем на 2—3 м. Здесь выгоднее применить вращательное бурение и получить керны (стерж­ни), по характеру которых уже путем внешнего осмотра можно составить представление о фильтрационных свой­ствах скалы-материка. Уточняются эти представления, как было указано выше, опытным путем (откачка, нагнетание воды).