Представляется целесообразным выделить следующие главные области, по которым можно сгруппировать основные задачи геомеханических исследований: а) основания и взаимодействие их с сооружением; б) грунтовые плотины; в) плотины в сейсмических районах; г) плотины на вечномерзлых грунтах. В соответствии с этой группировкой ниже рассматриваются основные достижения геомеханики и задачи предстоящих исследований.
Разработка методов определения и расчетов численных значений параметров, характеризующих свойства оснований сооружений, является предметом исследований механики нескальных и скальных грунтов. Оценивая современное состояние и направления развития геомеханики, необходимо отметить, что наибольшие достижения имеются в области механики нескальных грунтов. Это позволило надежно запроектировать теперь уже осуществленные и много лет благополучно эксплуатируемые крупнейшие гидроэлектростанции СССР, построенные на песках, супесях, суглинках и глинах. Основными достижениями советской науки в этой области являются установление: понятия числа моделирования и расчетных схем устойчивости (сопротивляемости сдвигу) оснований сооружений — плоского, смешанного и глубинного сдвигов и плоского сдвига с поворотом сооружения и соответствующих им численных критериев; эпюр контактных нормальных и касательных напряжений и зависимости их формы от значения числа моделирования; смещений сооружений и др. Значительную роль в этом сыграла постановка экспериментов в поле — в котлованах гидротехнических сооружений и в лабораториях — в пространственных лотках с использованием метода сдвига штампов разных размеров в том числе с соблюдением правил моделирования.
В настоящее время необходимо развивать углубленное и более полное изучение свойств нескальных грунтов как многокомпонентных и многофазных систем с исследованием их физико-механической природы и свойств, обусловливающих сопротивляемость и деформируемость грунтов под нагрузками. Следует отметить, что в Советском Союзе ведутся большие работы в области теоретического и экспериментального изучения распределения контактных напряжений, напряженного состояния и деформаций оснований сооружений, к которым предъявляются очень строгие требования по допустимым смещениям фундаментов и их неравномерности. Главную роль в оценке прочности нескальных оснований сооружений играют такие характеристики прочности грунтов, как коэффициент трения tg φ и сцепление с, значения которых, как известно, получаются разными при испытаниях одних и тех же грунтов на разных приборах (разными методами). В связи с этим введено понятие интегральных характеристик прочности грунтов, определяемых в результате интегральных исследований.
Механика скальных пород при решении вопросов о напряжениях и деформациях скальных оснований рассматривает их как блочную, трещиноватую и в большинстве случаев механически анизотропную среду. Однако в настоящее время из-за недостаточной теоретической разработанности этих вопросов решение большинства задач все еще основано на положениях механики сплошной среды, хотя уже имеются отдельные решения, учитывающие анизотропность среды (трансверсальная анизотропность, ортотропность), разрабатываются решения задач о напряженном состоянии и деформациях скальных оснований как блочной («зернистой») среды и проводятся соответствующие экспериментальные исследования.
Состав и объем геомеханических исследований скальных оснований сооружений обусловливаются требованиями получения обоснованной оценки прочности пород, сопротивляемости сдвигу оснований сооружений, деформируемости, водопроницаемости, выщелачивания, суффозии и т. и. Одним из главнейших видов геомеханических исследований скальных пород являются исследования для оценки сопротивления сдвигу оснований сооружений. Такая оценка в настоящее время производится путем расчета по схеме сдвига гидротехнического подпорного сооружения непосредственно по поверхности контакта сооружения с основанием или с вовлечением части основания по заглубленным поверхностям, характеризующимся малой сопротивляемостью сдвигу. Определение параметров прочности для скальных пород производится путем проведения крупномасштабных исследований методом сдвига бетонных штампов и скальных целиков в горных изыскательских выработках или котлованах строящихся сооружений.
Проведенные в 70-х годах исследования и наблюдения позволили уточнить некоторые положения расчета прочности, напряженного состояния, деформаций и фильтрации скальных оснований подпорных сооружений, их результаты учтены в СНиП П-16-76. В частности, приведенные в этом СНиП значения характеристик сопротивляемости сдвигу скальных оснований подпорных сооружений позволяют проектировать плотины в условиях, аналогичных Братской и Усть-Илимской ГЭС, с отношением сумм горизонтальных и вертикальных сил порядка 0,8. На основе проведенных исследований была также предложена методика расчета по схеме сопротивления сдвигу подпорного сооружения с поворотом. К расчету общей прочности скального основания подпорного сооружения добавлен расчет местной прочности основания у верховой его грани, где, как правило, появляются растягивающие напряжения, которые обусловливают разуплотнение скальной породы в основании и нарушение работы устроенной здесь противофильтрационной цементационной завесы. В описываемых исследованиях нашли, кроме того, отражение и вопросы фильтрации в скальных основаниях плотин, дренажа оснований, необходимого съема пород в связи с влиянием укрепления пород цементацией. Так, было выявлено, что при очень малой фильтрационной способности скальных пород основания решающую роль в противодавлении играет глубинный дренаж, а не противофильтрационная завеса. Очень большая роль в устойчивости плотины, в особенности в сопряжении ее с берегами, принадлежит дренажу в нижнем бьефе и цементации скальных оснований сооружений, в частности, устройству пробок в трещинах при неблагоприятной для устойчивости ориентации этих трещин.
Особую теоретическую и практическую значимость имеют крупномасштабные полевые исследования прочности, сопротивляемости сдвигу и деформируемости скальных оснований сооружений. Определяемые в результате таких исследований параметры прочности и деформируемости пород кладутся в основу расчетов и модельных исследований прочности бетонных гравитационных, контрфорсных и арочных плотин, подпорных стен, днищ и голов шлюзов и пр., а также в основу расчета осадок и горизонтальных смещений сооружений. Методы исследований деформационных свойств скальных массивов делятся на два основных типа: статические и динамические. Среди статических методов, определяющих деформируемость в зависимости от действующих нагрузок, широкое распространение нашел метод нагружения гибкого штампа диаметром 80 см. С его использованием выполнены исследования оснований плотин Чиркейской и Токтогульской гидроэлектростанций, а также плотин на р. Кассеб (Тунис) и ГЭС Наглу (Афганистан). В дальнейшем предусматривается использование гибкого штампа с переменной площадью загружения, что позволит исследовать влияние масштабного эффекта при определении деформируемости скального массива и изучать его деформационную неоднородность.
Широкую известность получил в СССР и за рубежом также статический метод изучения деформируемости скальных массивов в скважинах большого диаметра с помощью цилиндрического гидростатического штампа (ЦГШ). В полевых условиях этим методом определяется как модуль деформации, так и коэффициент Пуассона скальных массивов. Методом ЦГШ выполнены исследования деформируемости оснований плотин Братской, Чиркейской и Усть-Илимской гидроэлектростанций. При проведении исследований деформируемости скального основания Усть-Хантайской ГЭС метод ЦГШ получил дальнейшее развитие в направлении оценки деформационной анизотропии скальных массивов: и определения их естественного напряженного состояния. В частности, исследованиями установлено, что определяемая традиционными методами деформационная анизотропия скальных массивов является следствием изменения напряженного состояния пород вокруг опытной горной выработки, обусловленного ее проходкой.
В настоящее время продолжается разработка новых более совершенных статических методов исследований деформируемости скальных массивов как среды и как основания гидротехнических сооружений. Так, разработан метод, основанный на загружении стенок буровых скважин радиальными и осевыми касательными нагрузками, который позволяет определять характеристики деформируемости скальных массивов во взаимно перпендикулярных направлениях.
Динамический (геофизический) метод основан на использовании связи между скоростью распространения звуковой волны и упругой характеристикой пород. Достоинство этого метода состоит в возможности охватить исследованиями большие объемы пород. Однако с учетом того, что динамический метод, как правило, дает преувеличенные показатели деформируемости пород (главным образом из-за пластичности пород и их трещиноватости), в последнее время применяется сочетание статических и динамических методов, позволяющее установить корреляционные зависимости для результатов полевых исследований. Опытные данные показывают, что скальные массивы в общем ведут себя под нагрузкой как упруговязкопластическая среда со слабо выраженной ползучестью, снижающей модуль общей деформации скального основания сооружения на 15—25%. В широком диапазоне нагрузок деформируемость скального основания сооружения нелинейна. Практика показала, что скальные породы в основаниях подпорных сооружений являются линейно-деформируемыми и деформационно-анизотропными.
Результаты «точечных» исследований свойств пород в сочетании с данными комплексных инженерно-геологических изысканий, особенно с данными геофизических исследований, позволяют разработать инженерно-геологическую объемную модель участков створов гидроузлов с разбивкой на объемные структурно-геологические элементы, обладающие квазиоднородностью состава, строения и состояния пород, а также значений характеристик фильтрации, деформируемости, прочности и сопротивляемости сдвигу. Указанное направление следует развивать и обогащать новыми методами с использованием современных достижений науки и техники. Хотя здесь уже многое сделано, однако проблема масштабного эффекта при определении характеристик сопротивляемости сдвигу, деформируемости и фильтрации пока остается недостаточно ясной и требует интенсивных исследований. В этом отношении большие надежды возлагаются на геофизические методы и на более детальную характеристику геологического строения скальных оснований сооружений в отношении его трещиноватости, пространственного расположения трещин с характеристикой их заполнителя, шероховатости (морфологии трещин) и пр. За последнее время интенсивно проводились исследования по изучению морфологии трещин и уже достигнуты определенные успехи.
Большие достижения имеются в области изучения фильтрации, проектирования подземного контура напорных сооружений, укрепления основания, в частности, установления размеров противофильтрационных завес, консистенции инъектируемых растворов и способов производства работ.
Одной из дальнейших задач проектирования гидроузлов является прогноз форм и характеристик фильтрационного потока воды в основании сооружений и бортах долин перекрываемых рек. Совершенствование существующих и разработка новых рациональных методов расчета фильтрации будет способствовать проектированию рациональных схем подземного контура напорных гидротехнических сооружений.
Недостаточно подробно разработаны вопросы оценки суффозионных свойств оснований гидротехнических сооружений, в особенности скальных (суффозия в трещинах и разломах скальных массивов). В дальнейшем следует идти по пути разработки методов крупномасштабных полевых исследований, конечной целью которых является определение водопроницаемости пород основания и критериев суффозии— предельных значений градиентов напора, по трещинам и разломам скальных массивов. В настоящее время имеются предложения по схемам таких испытаний, и рядом организаций (институты «Гидропроект», ВНИИГ) проводились и проводятся соответствующие полевые исследования. Вместе с тем предстоит еще много сделать в области изучения закономерностей фильтрации, особенно в трещиноватых скальных породах, по развитию методов расчета фильтрации под сооружениями и в обход сооружений с учетом фильтрационной анизотропии. Однако уже имеющиеся теоретические разработки и накопленный опыт изучения фильтрации позволяют решать задачи, возникающие при проектировании крупных высоконапорных гидроузлов как на нескальных, так и на скальных основаниях. В частности, необходимо считаться с возможностью понижения коэффициента фильтрации основания сооружения при его нагружении вертикальными нагрузками (как показал опыт строительства Токтогульской ГЭС, оно может быть значительным — до 15 раз). Кажутся перспективными в некоторых случаях решения, приводящие к отказу от устройства инъекционных завес в основании плотин при полном обеспечении их надежности и долговечности.
Большие надежды возлагаются на теоретическое рассмотрение напряженного состояния, деформаций и фильтрации методом конечных элементов с учетом изменения модуля деформации по глубине. Для развития экспериментальных методов необходимо развитие методов моделирования геологического строения скальных оснований сооружений и их напряженного состояния и деформаций. В этом отношении также на сегодня достигнуты определенные успехи.
В области проектирования и строительства грунтовых плотин наиболее важной проблемой является разработка рациональных конструкций сооружений применительно к различным природным условиям и способам возведения. В области научных исследований по-прежнему основное внимание уделяется статике грунтовых плотин, т. е. проблемам напряжений, деформаций и устойчивости плотин и их оснований. При проведении этих исследований основными являются вопросы консолидации и порового давления, характеристики прочности и деформируемости грунтов, а также трения между отдельными элементами плотины, вопросы трещинообразования и наилучшего сопряжения сооружения с основанием и берегами.
Значительные исследования проведены в СССР в области консолидации глинистых водонасыщенных грунтов и развития порового давления. Это особенно важно при проектировании грунтовых плотин и плотин на глинистых основаниях, так как развитие порового давления, практически возникающего при значениях коэффициента фильтрации 10-4—10-5 см/с, определяет как известно, сопротивляемость глинистых грунтов сдвигу и деформации. Много также сделано и в области назначения характеристик уплотняемости и плотности различных грунтов при использовании их для устройства элементов грунтовых плотин. Все это позволяет уже сейчас строить грунтовые плотины из любых грунтов, соответственно комбинируя их в профиле плотин.
За последние годы значительно усовершенствованы методы расчета устойчивости откосов плотин и откосов естественных склонов, базирующиеся на предположении о круглоцилиндрической поверхности скольжения. Разработанные методы, удовлетворяющие всем уравнениям равновесия, применимы при различных видах поверхностей скольжения, обусловленных геологическим строением грунтового массива или конструктивными особенностями плотин и сооружений других типов. Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин могут выполняться с учетом многочисленных факторов, в том числе при наличии порового давления, фильтрационных сил, сейсмических нагрузок и т. и. На основе указанных методов разработаны соответствующие программы расчетов для современных ЭВМ. Для оценки устойчивости используется общий критерий, содержащий частные коэффициенты безопасности (коэффициент надежности, коэффициент условий работы и др.).
В связи с перспективами развития строительства крупных гидроэлектростанций в районах Средней Азии и Кавказа, характеризующихся высокой сейсмичностью, особое внимание должно быть обращено на разработку методов, организацию и проведение научных исследований для установления параметров сейсмических воздействий, которые должны быть заложены в расчеты устойчивости, напряженного состояния и прочности конструкций гидротехнических сооружений. Разработка метода оценки сейсмической опасности как в СССР, так и за рубежом по существу находится в стадии развития.
Главным направлением исследований является организация сети наблюдательных пунктов, оборудованных соответствующей сейсмометрической аппаратурой. На основе накопления данных наблюдений и измерений в характерных точках скального основания, выбираемых с учетом геоструктурной схемы и инженерно-геологической модели массива, может быть разработано сейсмологическое районирование и на этой базе построена геосейсмическая модель скального основания гидроузла.
Особые задачи возникают в связи с намечаемым строительством ГЭС в районах распространения вечномерзлых грунтов. По ряду обстоятельств (отдаленности районов строительства от путей сообщения и т. д.) наиболее подходящим в этих условиях является тип грунтовой плотины. Однако создание водоупорного элемента плотины из грунтов вызывает ряд трудностей в связи с тем, что, как правило, в районе строительства нет подходящих грунтов для создания водоупорных элементов или слои их имеют малую мощность, кроме того, сезон для укладки связных грунтов очень непродолжительный. Все это приводит к увеличению сроков строительства гидроузлов на Крайнем Севере и их большой стоимости. Поэтому представляется целесообразным выполнить научное обоснование и внедрение плотин с негрунтовыми водоупорными элементами: металлическими диафрагмами, асфальтобетонными экранами и ядрами, инъекционными ядрами. Плотины такого типа представляются достаточно экономичными и позволяют вести строительные работы круглый год даже в суровых климатических условиях. В связи с этим одной из первостепенных задач в этой области следует считать разработку методов расчета и анализа устойчивости и напряженного состояния таких плотин и разработку вопросов прочности негрунтовых водоупорных элементов.
Для гидротехнического строительства на Крайнем Севере весьма важны также методы расчета и прогноза изменения во времени несущей способности вечномерзлых и оттаивающих оснований, устойчивости береговых примыканий, а также их осадок и смещений с учетом изменения температурно-влажностного режима и обусловленного этим изменения прочностных и деформационных свойств грунтов. Актуальными являются и задачи температурного расчета грунтовых плотин и их сопряжений с основанием и берегами, задачи определения механических и фильтрационных характеристик замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов.
Прочность на сдвиг мерзлых грунтов сильно понижается при оттаивании и становится наименьшей при нулевой температуре, а затем повышается. Этот процесс неизменно связан с поровым давлением, и рассматривать его следует как задачу температурную и консолидационную. В этой области советской наукой уже достигнуты значительные результаты. Наилучшим методом изучения сопротивляемости сдвигу гидротехнических сооружений на вечномерзлых нескальных и скальных грунтах следует считать метод сдвига штампов различных размеров и целиков скалы в котлованах сооружений. При этом сдвиги надо производить на основаниях в естественном состоянии и при различной степени оттаивания пород.
Для изучения деформационных характеристик мерзлых грунтов наилучшим является сочетание метода давления на штампы с геофизическими исследованиями. Проведеннными испытаниями выявлено, что наибольшее значение модуля деформации породы имеют в мерзлом состоянии; при оттаивании пород увеличивается их деформация, т. е. уменьшается их модуль деформации; деформации тем больше, чем больше пористость и трещиноватость для одной и той же породы; имеется очень большая разница в значениях коэффициента Пуассона для пород в мерзлом и немерзлом состояниях; кроме того, установлены корреляционные связи модулей деформации для образцов пород и массива и др.
На основе опыта исследования и эксплуатации плотин, построенных в условиях вечной мерзлоты, установлены некоторые закономерности и в области фильтрации. Так, обнаружено, что участки массивов мерзлых пород при заполнении трещин льдом или мерзлым дисперсным материалом практически водонепроницаемы. Слабольдонасыщенные породы являются водопроницаемыми, однако их проницаемость ниже, чем в талом состоянии.
