Объем инженерных геологических и гидрогеологических изысканий в большой мере зависит как от мощности электростанции и условий технического водоснабжения, так и геологических особенностей районов строительства. Трудности представляют районы со сложной геологической структурой. Так, например, в районах вечной мерзлоты или карстовых объем геологических изыскательских работ будет значительной больший, чем в районах с нормальной геологической структурой. Для строившейся Южской ГРЭС пришлось заложить буровую скважину глубиной 150 м, чтобы убедиться, что на площадке нет карстов; для вновь проектируемой Дзержинской ТЭЦ в Горьковской области пришлось провести очень крупные геологические изыскания, чтобы найти площадку, на которой можно было бы обосновать новую ТЭЦ, не опасаясь ее разрушения в связи с образованием карстов. Такие же сложные работы пришлось проделать при проектировании Уфимской ТЭЦ-4 в районе за рекой Белой, где имеются карстовые явления. При подыскании площадки для ГРЭС в районе Читы пришлось запроектировать сооружение ГРЭС на искусственно засыпном участке озера, чтобы избежать фунтов с вечной мерзлотой. Для новой ГРЭС в районе г. Ашхабада, где имеется сейсмичность в 9 баллов, нужно было отыскать более надежные многометровые галечниковые грунты, которые позволили обеспечить большую надежность сооружения ГРЭС. Эти примеры показывают, что сооружение электростанций в районах со сложной геологической структурой сопряжено со значительным увеличением объема изыскательских работ.
а) Общие положения
Инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания производятся для получения исходных материалов и геологических и гидрогеологических характеристик участков, намечаемых для сооружения станции и связанных с ней сооружений (водохранилищ, насосных, водоподводящих и отводящих каналов, золоотвалов и пр.).
Изыскания заключаются, во-первых, в общем геологическом изучении района предполагаемого расположения намечаемых сооружений для выяснения наличия в нем различных дислокационных процессов, карстовых, оползневых и других явлений, опасных для устойчивости сооружений и необходимых для характеристики происходящих в районе геологических процессов: оврагообразований, речной эрозии и пр.; во-вторых, эти изыскания должны дать оценку свойств грунтов под строительные объекты и установить допустимую нагрузку на грунт, а также дать характеристику грунтовых вод как с точки зрения режима (количество, высота стояния, фильтрационные свойства пород), так и их химического состава (агрессивность).
При наличии водохранилища необходимо изучить фильтрационные свойства фунтов и определить возможность утечки воды из водохранилища (под плотину и через борта). Это необходимо для возможности производства соответствующих расчетов. Задачей геологических исследований является также и разведка строительных материалов (камень, песок, бут, гравий, глина, известь и др.)·
Объем геологических и гидрогеологических исследований в значительной степени зависит от выбранного типа водоснабжения, а также принятого способа золоудаления. В случае, если водоснабжение оборотное с искусственным прудом или если для пополнения убыли воды в искусственных охладителях (градирнях и брызгалах) необходимо образование водохранилища для сбора весенних вод, объем изыскательских работ будет наибольшим. При гидрозолоудалении с откачкой золовой пульпы в особые отвалы (овраги, болота и пр.) объем изысканий будет больше, чем при пневмозолоудалеиии или механическом удалении золы. Наконец, объем, детальность и методика изысканий в значительной степени зависят от стадии проектирования.
Перечень исходных данных и характер инженерных геологических и гидрогеологических изысканий, необходимых при различных стадиях проектирования, приводятся в табл. 20.
б) Предварительные исследования
Объем работ на этой стадии проектирования в случае наличия «оборотного» (прудового) водоснабжения или в случае прямоточного водоснабжения из реки с достаточным дебитом или моря (озера) будет различен.
Изыскания при водоснабжении из пруда. Рассмотрим сначала случай прудового водоснабжения. В этом случае предварительные исследования имеют целью дать инженерно-геологическую оценку выдвигаемым в плановом задании вариантам размещения электростанции и обосновать этими изысканиями возможность предполагаемого варианта размещения станции.
Поскольку сооружение плотины и образование водохранилища являются в смысле инженерно-геологических условий более сложными, чем изыскания для самой электростанции и водозаборных устройств, главное внимание при предварительных исследованиях должно быть обращено на оценку мест под основные гидротехнические сооружения (плотина, водослив). При этом, конечно, нельзя забывать об общей схеме циркуляционного водоснабжения и выборе места для электростанции, обеспечивающего правильную циркуляцию воды в пруду.
Прежде чем производить полевые исследования, необходимо предварительно ознакомиться со всеми геологическими и топографическими материалами, имеющимися по исследуемому району.
Таблица 20
Примечание. Знак + означает производство работ, указанных во 2-й графе таблицы; знак — означает отсутствие необходимости в этих работах для данной стадии проектирования.
Для этого необходимо собрать весь имеющийся топографический материал, как-то: обзорные карты 10-, 3- и 1-верстного масштаба (в дюйме) и планы отдельных ведомств и организаций большего масштаба, собрать и ознакомиться с имеющимися геологическими и гидрогеологическими картами района, собрать и проанализировать материалы имеющихся буровых разведок, ознакомиться и изучить имеющуюся геологическую и гидрогеологическую литературу, относящуюся к данному району.
Ввиду того, что все отчеты по геологическим и гидрогеологическим изысканиям концентрируются согласно приказу по НКТП от 26 апреля 1935 г., № 521 в Центральном геологическом фонде Главного гидрогеологического управления, то до начала изысканий необходимо туда послать запрос, о наличии материалов по данному району.
Гидрогеологическая рекогносцировка и съемка. Предварительная инженерно-геологическая съемка или рекогносцировка имеет целью выяснение геоморфологических условий и геологического строения района в тех случаях, когда геологические условия сравнительно просты (отсутствие тектонических разрушений).
Эта рекогносцировка преследует те же цели, что и последующая за ней инженерная геологическая разведка (съемка), о которой будет сказано ниже. Однако объем и точность данных, получаемых предварительной съемкой (разведкой), ограничиваются упрощенными методами ее производства.
Предварительная инженерно-геологическая съемка (рекогносцировка) ведется методами безынструментального или полуинструментального обследования и исследования и ограничивается изучением геогидрологического состояния исследуемой территории по тем лишь геологическим явлениям, какие имеются на ее поверхности (обнажения и выходы горных пород, выходы подземных вод на поверхность, оползни, размывы, железнодорожные выемки, карьеры, каналы и т. п.). Разведочное бурение и шурфование производятся лишь в тех частях неизученной территории района, где упомянутые явления отсутствуют или незначительны, и при этом производятся лишь для наиболее характерных точек.
Рекогносцировка должна выявить характер покровных образований и показать выход коренных пород. Масштаб геологической карты, составленной на основе результатов полевой работы, для этой стадии изысканий принимается не крупнее 1 : 25 000 и не мельче 1 : 100 000. Площадь рекогносцировки зависит от числа намечаемых вариантов расположения водохранилища и станции и взаимного расположения этих вариантов.
Следующая стадия изысканий — гидрогеологическая съемка (инженерно-геологическая съемка) — имеет целью подробное выяснение стратиграфии и тектоники района, литологического состава пород и геоморфологических условий района. Особенное внимание должно быть обращено на наличие карстовых и провальных явлений, а также на оползневые, обвальные и оврагообразовательные процессы. Задачей геологоразведочных работ как на первой стадии (реког. носцировки), так и на стадии съемки (разведки) является получение следующих данных а территории района;
- Тип рельефа и его важнейшие геоморфологические элементы (речные долины, террасы, холмы и т. п.).
- Расположение и происхождение естественных обнажений и выходов горных пород.
- Расположение, происхождение и геологическая характеристика внешних проявлений деятельности воды и ветра (овраги, оползни, размывы берегов, карстовые образования, болота и т. п,).
- Расположение, происхождение, глубина и источники питания выходов грунтовых вод на поверхность (источники, колодцы, буровые скважины и т. п.) и, по возможности, выяснение дебита источников грунтовых вод, режим, мощность, горизонт и уклон зеркала грунтовых вод, а также характеристика подстилающих их горизонтов.
- Геологическое строение территории по естественным обнажениям и имеющимся геологическим выработкам (категории грунтов, их расположение, характер залегания, возраст пород).
- Физико-механическая характеристика важнейших напластований грунтов (водопроницаемость, естественная влажность, связанность, пластичность, гравиометрический характер и прочие физико-механические свойства, а также химический состав грунтовых вод).
- Искусственные разрушения поверхности территории (карьеры, выемки, насыпи, засыпки и т. п.).
- Характеристика состояния находящихся на территории и соседних с ней зданий (деформация зданий, глубина заложения фундаментов).
- Характеристика почв и растительности района. Кроме перечисленных данных, необходимо получение исчерпывающих сведений о сейсмичности района.
а) общей характеристики сейсмичности района;
б) положения эпицентров землетрясений;
в) направлении и повторяемости воли;
г) баллов землетрясений (с указанием шкалы).
Эти данные получаются от сейсмических станций.
Производимая съемка должна охватить долину водотока, предполагаемого к использованию для образования водохранилища, от места выклинивания будущего водохранилища до намечаемого створа плотина и 1—2 км ниже его, причем съемка должна вестись на 2—3 м выше отметки подпора, а также площадку будущей электростанции, водозаборных устройств, подводящих воду каналов или водоводов, сбросного канала и мест золоотвалов.
Указанный объем съемок является ориентировочным и должен быть уточнен в зависимости от местных условий.
При производстве исследований в районе с развитой горной промышленностью следует обратить особое внимание на имеющиеся в пределах будущего подпора промышленные выработки, произвести их высотную увязку и тщательное литологическое описание боковых пород. Необходимо также на основании знакомства с маркшейдерскими съемками точно установить опасность затопления водой водохранилища как существующих шахт, так и намеченных к разработке пластов; также необходимо установить количество и качество сбрасываемых шахтами в реку вод. При малых дебитах реки эти воды могут оказать своей высокой жесткостью крайне вредное действие на качество воды в водохранилище, особенно, если это водохранилище рассчитано на многолетнее регулирование. Масштаб съемки определяется имеющейся топографической основой и может меняться в пределах от 1 : 25 000 до 1 :5 000. Наиболее удобным является масштаб 1 : 10 000. В случае опасения карстовых явлений или опасных для гидротехнических сооружений тектонических нарушений, а также при полной геологической неизученности района, кроме дательной съемки в указанном объеме, следует произвести также съемку в мелком масштабе (1 : 50 000 или 1 : 100 000) прилегающей территории.
Буровые работы.
Так как решающим фактором выбора того или иного места электрической станции при прудовом водоснабжении являются благоприятные условия для сооружения плотины, то главное внимание при буровой разведке в стадии предварительных исследований должно быть обращено на изучение намечаемого створа плотины. Выбор места этого створа определяется предварительно исходя из условий топографических (возможно минимальная длина плотины), а также геологических на основе изучения геологии района. Сама площадка под электростанцию и другие сооружения (водозаборные устройства) могут быть освещены сравнительно небольшим количеством выработок. Метод бурения определяется характером пород. Твердые породы проходятся колонковым бурением, мягкие — ручным ударно, вращательным.
Бурение в мягких породах с промывкой недопустимо, так как такое бурение не дает возможности брать образцы пород, а следовательно, и судить о характере проходимых грунтов.
Разведочные линии для освещения участка плотины намечаются в результате предварительного осмотра створов. При этом основное требование — располагать разведочные линии вкрест простирания пород — должно быть соблюдено по крайней мере в пойменной части исследуемого участка, обычно покрытой мощным слоем наносов. В отношении коренного берега от этого правила приходится отступать, так как створ плотины желательно располагать по простиранию пород. Для каждого створа в общем случае желательно иметь три разведочные линии, причем средняя из них, с более частыми скважинами, совпадает с выбранной осью плотины, а остальные располагаются по двум параллельным Сторонам на расстоянии примерно от 100 до 200 м.
Расстояние между скважинами определяется геологическим строением местности, но обычно для основного створа оно равно 100—200 м, а для дополнительных 150—250 м. Глубина скважин обусловливается глубиной залегания достаточно мощного водоупорного слоя, до которого желательно углубить все скважины. Вообще же глубина скважины должна быть не менее удвоенной величины проектируемого подпора. В практике строительства электростанций эта глубина бывает от 20 до 30 м. Под здание станции следует закладывать три разведочные линии, направленные вкрест простирания пород. Основная из этих линий располагается посредине с двумя параллельными на расстоянии 200—300 м от первой. Расстояние между скважинами основ, ной линии должно составлять 150—200 м, а дополнительных— 200—250 м. Глубина скважин определяется геологическим строением и находится в зависимости от глубины залегания коренных пород, до которых желательно довести хотя бы две-три скважины. Остальные скважины достаточно заложить до глубины 15—20 м. На месте, намечаемом для водозаборного устройства, т. е. водоподводящего канала, в стадии предварительных исследовании можно ограничиться заложением небольшого числа скважин, стараясь для освещения геологического строения этих участков использовать уже имеющиеся скважины, а также естественные обнажения.
В отдельных случаях при сложных геологических условиях (карстовая область) может встретиться необходимость в заложении небольшого числа глубоких скважин, имеющих особое назначение — выявить условия залегания карстообразующих пород и их мощность. Как глубина, так и местоположение таких скважин назначаются в каждом конкретном случае в зависимости от поставленной задачи и геологических условии района.
Опытные работы.
Опытные работы по определению строительных свойств грунтов, а также по определению фильтрационных свойств грунтов и режима грунтовых вод большей частью относятся к последующей стадии окончательных исследований. В этой же стадии иногда прибегают копытным исследованиям для получения предварительной характеристики гидрогеологических условий (фильтрационных свойств грунтов) по намеченным створам плотины.
Изучение фильтрации производится путем организации кратковременных откачек, наливаний и нагнетаний воды в скважины, заложенные на площадке главного здания, по оси плотины, а также в мелкие скважины и шурфы, заложенные в берегах водохранилища. В случаях грунтового водозабора (для пополнения потерь циркуляционного водоснабжения в градирнях или брызгальных бассейнах) для технического или питьевого водоснабжения производится одна или две длительные откачки для характеристики дебита этих вод. Глубина скважин, закладываемых для этой цели, определяется глубиной залегания водоносных горизонтов достаточной мощности и водой соответствующего качества. Если водоносный горизонт залегает неглубоко, то в этом случае организуются стационарные наблюдения над режимом грунтовых вод, для чего используются имеющиеся колодцы или закладываются новые шурфы или скважины. Стационарные наблюдения необходимы для установления уклона зеркала грунтовых вод, от чего зависит выбор места каптажа.
Поскольку детальные исследования, необходимые для составления проекта каптажа, отличаются большой сложностью, необходимо, чтобы эти исследования выполнялись специальной организацией по особой выработанной ей программе.
Для оценки строительных свойств грунтов на исследуемых участках на дайной стадии изысканий в большинстве случаев ограничиваются изъятием из шурфов нескольких монолитов с ненарушенной структурой и подвергают эти монолиты лабораторным исследованиям.
Лабораторные исследования, Лабораторные исследования в стадии предварительных изысканий служат для предварительной характеристики грунтов и грунтовых вод, главным образом в целях их правильной классификации.
Из физико-механических анализов грунта на этой стадии изысканий производится:
- определение естественной влажности (из скважин и грунтов на месте здания электростанции);
- механический (зерновой) анализ;
- определение удельного объемного весов и пористости;
- определение констант Аттенберга;
- определение влагоемкости;
- определение капиллярного поднятия;
- определение коэффициента фильтрации;
- определение компрессионных свойств грунтов.
Количество определений зависит от однородности грунта. Основная масса определений приурочивается к образцам грунта, взятым, во-первых, на отметке намечаемого заложения фундаментов и, во-вторых, ниже заложения на удвоенную и утроенную ширину фундамента. Химические анализы грунта заключаются в производстве сокращенных анализов методом вытяжек (водных, содовых и кислотных) и имеют целью установить главным образом засолённость грунта и отчасти уточнить классификацию пород.
Химический анализ воды как грунтовой, так и поверхностных источников, обследованных при производстве гидрогеологической съемки, производится также сокращенного типа со следующими количественными определениями:
а) суммы растворенных веществ;
б) потерн при прокаливании;
в) концентрации водородных ионов;
г) окисляемость
д) жесткости;
е) анионов СО3, НСО3, Cl, SO4;
ж) катионов Mg, Са.
Определение HaS, NH3, NO2, Fe производится качественное.
Если предлагается использовать грунтовые воды для питьевого водоснабжения, то эти анализы необходимо дополнить анализами согласно инструкции по санитарно-техническому анализу питьевых вод.
Камеральная обработка полевых данных предварительных исследований должна заключаться в определении пород и построении разрезов (колонок), скважин, профилей по нескольким скважинам, рисующим геологию (стратиграфические отношения пород), гидрогеологию (уровни грунтовых вод, отнесенные к определенному периоду (сезону)] и высоты напоров. На разрезах скважин кроме вышеуказанных элементов, необходимо показывать диаметр буровых колонн, глубину крепления и отметку устья скважины.
Геологические карты, составленные в масштабах от 1 :25 000 до 1 : 5 000 (желательно 1 : 10 000), должны удовлетворить общим требованиям, предъявляемым к геологическим картам (содержать возрасты пород и элементы их залегания), а также характеризовать литологический · состав показанных на них пород. Кроме того, в результате съемки должна быть составлена литологическая карта покровных отложений и гидрогеологическая карта, характеризующая подземные воды. Эти три карты в зависимости от характера геологического строения могут быть совмещены или выполнены раздельно. Геологическая карта должна иллюстрироваться соответствующими разрезами.
Отчетная записка должна содержать:
- введение и краткую характеристику поставленной перед исследованиями задачи и технический отчет о работе;
- геоморфологию и гидрографию исследованных участков;
- описание геологического строения;
- описание произведенных работ с точным указанием методики;
- характеристику грунтов в районе сооружений, иллюстрируемую соответствующими лабораторными данными;
6) гидрогеологический очерк;
7) инженерно-геологическую характеристику участков под отдельные сооружения (плотину, здание электростанции, водоводы, сбросной канал, золовые отвалы и пр. для всех обследованных вариантов).
Заключительная часть должна содержать выводы из основных положений предшествовавших глав. Кроме того, в ней должны быть приведены сравнительная оценка обследованных вариантов и программа предстоящих подробных исследований.
Приложениями к отчетной записке служат:
а) обзорная карта мелкого масштаба с показанием мест произведенных исследований;
- геоморфологическая, литологическая и гидрогеологическая карты;
в) план расположения разведочных выработок (скважин, шурфов);
г) геологические профили;
д) разрезы скважин (колонки и шурфы);
е) графики опытных и лабораторных работ;
ж) таблицы анализов воды и грунтов.
В тексте записки надлежит делать ссылки на соответствующие чертежи, помещенные в приложении, с непременным указанием номера чертежа.
Изыскания при схеме прямоточного водоснабжения.
Пред варительные исследования при прямоточной схеме водоснабжения отличаются от вышеизложенных лишь меньшим объемом работ, так как в этом случае исключаются все исследования, связанные с устройством плотины и водохранилища. Особенно упрощается вся та часть исследований, которая относится к изучению фильтрации и просачиванию воды в горные породы.
Гидрогеологическая рекогносцировка и съемка имеют ту же цель, что и при схеме оборотного водоснабжения, и производятся теми же методами. Площадь съемки в этом случае сокращается до 5—10 км1 и меньше. Съемка производится в масштабе от 1 :25 000 до 1 : 5 000.
В случае обнаружения карстовых явлений гидрогеологическая съемка должна охватить большую площадь, но производится в меньшем масштабе (1 : 50000—1 : 25000).
В условиях прямоточного водоснабжения, при котором электростанция располагается на берегу реки, озера или моря, приобретают значение исследования в части обеспечения сооружений от могущих быть оползневых явлений как для площадки станции, так и особенно для мест водозабора, насосной и водоводов.
Буровые и шурфовые работы здесь прежде всего служат для выявления качества грунта участка под сооружение электростанции и водозаборных сооружений.
Камеральная обработка заключает в себе работы, указанные выше. Основной задачей является дать сравнительный анализ инженерно-геологической стороны обследованных вариантов, а также подробную программу исследований, необходимых для разработки технического проекта.
