Роль петроструктурных факторов в формировании инженерно-геологических свойств сложнодислоцированных метаморфических комплексов Низких Гималаев: На примере толщи филлитов района гидроузла Тери, Индия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат геолого-минералогических наук Копытин, Александр Сергеевич

• Копытин, Александр Сергеевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Копытин, Александр Сергеевич

Введение

Глава 1. Петроструктурные особенности сложно дислоцированной толщи филлитов (СТФ)

1.1. Структуры напластования и будинаж

1.1.1. Будинаж

1.1.2. Седиментационная ритмичность

1.1.3. Местная ритмостратиграфическая шкала

1.2. Складчатые структуры

1.2.1. Складки первой генерации (Fi), сланцеватость (Si) и метаморфическая полосчатость ф 1.2.2 Складки второй генераций (F2) и соскладчатый кливаж(8г)

1.2.3. Складки третьей генерации (F3)

1.3. Разрывные структуры

1.3.1. Тектонические трещины

1.3.2. Тектонические нарушения

1.4. Ячеисто-зональная структура скального массива

Выводы

Глава 2. Геологическая история района и некоторые особенности формирования тектонитов

2.1. Геологическая история региона ф 2.2. Закономерности формирования основных петроструктурных элементов.

2.3. Генетические особенности ячеисто-зональных структур

2.4. Морфологические особенности ячеисто-зональной структуры скального массива ГЭС Тери.

2.5. Шарьяжи

Выводы

Глава 3. Влияние петроструктурных факторов на геомеханические свойства СТФ

3.1. Специфические особенности влияние отдельных петроструктурных факторов на геомеханические свойства тектонитов

3.1.1. Влияние структур напластования и вещественного состава сложнодислоцированных филлитовых массивов на их ^ физико-механические свойства

3.1.2. Влияние складчатых дислокаций и сланцеватости на физико-механические свойства СТФ

3.1.3. Влияние тектонических трещин на физико-механические свойства СТФ

3.1.4. Влияние тектонических нарушений на физико-механические свойства СТФ.

3.2. Влияние параметров ячеисто-зональных структур на геомеханические свойства СТФ

3.2.1. Отражение ячеисто-зонального строения СТФ в физических полях

3.2.2. Параметры ячеисто-зональных структур

3.2.3. Форма и размеры тектонитовых ячеек

3.3. Зависимость геомеханических свойств от параметров ячеисто-зональных структур.

3.4. Математическая модель прочностных свойств СТФ

3.5. Проверка качества математической модели расчетно-экспериментальными методами оценки прочностных свойств композиционных сред

Выводы

Глава 4. Специальное инженерно-геологическое моделирование СТФ

4.1. Традиционное специальное инженерно-геологическое моделирование филлитовой толщи с учетом вещественного состава пород и вертикальной изменчивости их геомеханических свойств в связи с приповерхностной разгрузкой и выветриванием.

4.2. Универсальные экспресс-методики оценки качества и районирования скальных массивов с применением эмпирических классификаций

4.2.1. Оценка удельного веса факторов, влияющих на качество скальных массивов

4.2.2. Проверка качества прогнозов, составленных с помощью экспертных классификационных систем.

4.2.3. Методические недостатки универсальных экспертных классификационных систем.

4.3. Специальное инженерно-геологическое моделирование СТФ с ячеисто-зональным строением

4.3.1. Учет масштабного фактора при построении СИГМ

4.3.2. Роль петроструктурных исследований в специальном инженерно-геологическом моделировании

4.3.3. Инженерно-тектоническая модель СТФ

4.3.4. Сопоставление авторской методики оценки прочности скального массива с классификациями Бенявски и Бартона

Выводы

Глава 5. О роли влияния петроструктурных факторов на принятие проектных решений и обеспечение устойчивости оснований и вмещающей среды сооружений.

5.1. Учет петроструктурных факторов при выборе варианта компоновки гидротехнических сооружений

5.2. Влияние петроструктурных факторов на устойчивость подземных выработок

5.2.1. КДЗ и КМО

5.2.2. Камеры машинного и трансформаторного залов

5.2.3. Влияние петроструктурных факторов на устойчивость туннелей

5.2.4. Роль петроструктурных факторов при проходке шахт

5.3. Роль петроструктурных факторов при оценке несущей способности оснований крупных железобетонных сооружений

5.4. Влияние петроструктурных факторов на специфику оползневых процессов.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роль петроструктурных факторов в формировании инженерно-геологических свойств сложнодислоцированных метаморфических комплексов Низких Гималаев: На примере толщи филлитов района гидроузла Тери, Индия»

Актуальность темы исследований состоит в необходимости выработки рационального подхода к изучению условий формирования инженерно-геологических свойств сложнодислоцированных метаморфических комплексов, являющихся основаниями крупных гидротехнических сооружений. Изыскания, связанные с проектированием гидротехнических сооружений в пределах сложнодислоцированных филлитовых комплексов Низких Гималаев (СТФ), сопряжены со значительными трудностями методического плана, что в конечном итоге приводит к снижению надежности гидротехнических сооружений, удорожанию и увеличению сроков их строительства.

Целью проведенных исследований являлось инженерно-геологическое изучение сложной геологической структуры филлитового массива, включающее: определение морфологии, генезиса, пространственного положения структур напластования, будин, складчатых структур, тектонических трещин и нарушений и установление закономерностей и взаимосвязей процессов образования структурных элементов с формированием их геомеханических свойств. Для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Обобщить современный опыт геолого-структурных и инженерно-геологических исследований сложнодислоцированных метаморфических комплексов.

2. Разработать методику инженерно-тектонического крупномасштабного картирования сложнодислоцированной толщи филлитов, учитывающую специфику геологии Гималаев.

3. Установить основные этапы и закономерности тектонического развития геологических структур и формирования физико-механических свойств массива тектонитов, обусловленные морфологическими и генетическими особенностями, пространственными взаимоотношениями структурных форм.

4. Обосновать приоритетность и роль петроструктурных факторов в процессе формирования физико-механических свойств скального массива.

5. Разработать методику прогнозной оценки прочностных свойств массива тектонитов посредством корреляционно-регрессионного анализа связей геомеханических характеристик массива с инженерно-геологическими параметрами его структурных элементов и сопоставить ее с традиционными методами оценки геомеханических свойств скальных массивов. ю

6. Оценить влияние петроструктурных факторов на устойчивость наземных и подземных гидротехнических сооружений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основание гидроузла Тери принадлежит к разновидности R-тектонитов, характеризующейся многопорядковой ритмичностью первичной слоистости, неравномерной сланцеватостью, многопорядковой складчатостью трех генераций и ячеисто-зональным пространственным распределением разновозрастных тектонических нарушений и трещин.

2. Современный структурный облик тектонитового массива является закономерным результатом интенсивного сжатия верхнепротерозойских терригенных Iотложений, горизонтальных подвижек тектонических блоков и активизацией взбросо-надвигов/в результате сближения Евразии на Индостана, коробления материковых окраин и Надвигания Евразии на Индостан.

3. К доминирующим петроструктурным факторам, определяющим геомеханические свойства СТФ, относятся: вещественный и компонентный состав тектонитовых ячеек, выражающийся в процентном количестве тонкорассланцованных, мелкоблочных и средне-крупноблочных пород, интенсивность их разгрузки и выветривания.

4. Установление характера и степени пространственной неоднородности физико-механических свойств тектонитов может быть обеспечено путем специального инженерно-геологического моделирования СТФ на основе анализа их петроструктурных особенностей.

Научная новизна работы

1. Установлена принадлежность филлитовой толщи к малоизученной в геомеханическом отношении разновидности R-тектонитов, разработана петроструктурная классификация тектонитов 4-х масштабных уровней.

2. Установлены основные этапы и закономерности тектонического развития геологических структур и формирования физико-механических свойств массива тектонитов, обусловленные морфологическими и генетическими особенностями, пространственными взаимоотношениями структурных элементов.

3. Выявлено ячеисто-зональное строение СТФ Низких Гималаев, проявляющееся в различных масштабах и обуславливающее пространственную неоднородность ее инженерно-геологических свойств.

4. Обобщены результаты геофизических, лабораторных и полевых геомеханических исследований, выполнен корреляционный анализ взаимосвязей между вещественным и компонентным составом тектонитовых ячеек, параметрами трещиноватости скального массива и его физико-механическими свойствами.

5. Разработана оригинальная методика, позволяющая получить приближенную оценку предела прочности отдельных участков массива тектонитов на сжатие.

6. Выполнен анализ применимости современных экспертных систем инженерно-геологического классифицирования скальных массивов для СТФ, выявлены их недостатки, разработана оригинальная методика оценки «удельного веса» факторов классифицирования, позволяющая сопоставлять и ранжировать классификационные системы по степени отклонения от «эталона».

7. Разработана методика геолого-геомеханического моделирования СТФ, позволяющая повысить эффективность инженерно-геологического обеспечения проектирования и строительства гидроэлектростанций.

Реализация результатов исследований

Геолого-структурный анализ и изучение закономерностей формирования физико-механических свойств СТФ позволили откорректировать методику изысканий, которая, наряду с разработанной автором методикой экспертной оценки прочностных свойств тектонитового массива, была использована для инженерно-геологического районирования и моделирования, уточнения физико-механических показателей массива, а также для оценки несущей способности оснований водоприемников ГЭС и ГАЭС и других основных сооружений гидроузла (ГУ).

Результаты геолого-структурных и инженерно-геологических исследований СТФ района ГУ Тери представляют интерес для специалистов, изучающих сложнодислоцированные метаморфические комплексы в качестве оснований или среды инженерных сооружений и могут послужить методической основой для подобных исследований в районах со сходным геологическим строением.

Исходные материалы и личный вклад в решение проблемы.

В основу диссертации положены результаты семнадцатилетних исследований, проведенных автором на участке строительства ГЭК Тери в Индии, в процессе которых им были выполнены: инженерно-геологическое картирование, описание керна разведочных скважин, документация стенок разведочных штолен и строительных выработок, детальная инженерно-геологическая документация участков проведения полевых геомеханических опытов, оснований водоприемников и контрфорсов пункта перехода на высоковольтную линию.

Кроме фактического материала, полученного непосредственно автором, в работе были использованы материалы полевых работ Геологической Службы Индии, результаты описания керна более 100 разведочных и исследовательских скважин и маршрутные описания естественных обнажений, выполненные геологами Гидропроекта. Также были использованы материалы всех производственных отчетов института Гидропроект по этой теме за период с 1989 по 2003 гг.

Апробация работы

Теоретические и методические положения и другие материалы диссертации представлялись на конференции молодых ученых ЦНИГРИ (Москва, 1983), XV молодежной научно-технической конференции института Гидропроект (Усть-Нарва, 1985), XI конференции изыскателей Гидропроекта (г. Солнечногорск, 1993), Х1-й Российской конференции по механике горных пород (С.-Петербург, 1997), международной научной конференции «Теоретические проблемы инженерной геологии» (МГУ, 1999).

По теме диссертации опубликовано 11 работ, включая статьи, тезисы докладов, авторское изобретение, методические рекомендации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 1$9 страниц машинописного текста, которые проиллюстрированы 41 рисунком, 8 фотографиями и 23 таблицами. Список использованной литературы включает 183 наименования.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Копытин, Александр Сергеевич

Выводы

1. Опыт строительства ГЭС Тери показал, что из-за высокой степени сложности геологического строения скального массива, неудовлетворительной изученности тектоники и стратиграфии Низких Гималаев выявление петроструктурных факторов, осложняющих строительство сооружений, происходило уже после того, когда проектные компоновочные решения было уже невозможно изменить, и осложнения становились неизбежными.

2. При строительстве подземных сооружений осложнения были в значительной степени обусловлены наличием в скальном массиве тектонических нарушений. Осложнения, причиной которых стал этот фактор, можно разделить на две группы. Первую группу образуют случаи, когда причинной осложнений становились отдельные нарушения или отдельные ослабленные прослои небольшой мощности крайне неблагоприятно ориентированные по отношению к выработкам. Ко второй группе относятся случаи, когда причиной осложнений становилось очень сильное ослабление пород, обусловленное сгущением сети как молодых, так и древних тектонических нарушений.

3. Наиболее серьезные осложнения произошли на участке сопряжения шахты ремонтных затворов MGS-4 с водоводом HRT-4. Их главными причинами послужили: приуроченность сооружений к «пластичной» оболочке крупной тектонитовой ячейки IV-го порядка и наличие здесь крупного взбросо-надвига D-3.

4. На несущую способность оснований крупных железобетонных сооружений, расположенных на дневной поверхности, оказывали влияние не только деформационные свойства пород, обусловленные их вещественным составом, прочностью, трещиноватостью, степенью выветрелости и разгруженности, но и сдвиговые свойства отдельных плоскостных зон ослабления массива, неблагоприятно ориентированных к склону.

5. В условиях высокогорного рельефа предрасположенность филлитовой формации Чандпур к оползневым деформациям особенно высока. Морфогенетические особенности оползней во многом обусловлены характером петроструктурных неоднородностей скального массива. Наиболее интенсивно оползневые деформации развиваются на тех участках склонов р. Бхагирати, где тектонические пластины параллельны склону, и где приповерхностная часть скального массива представлена ослабленными породами периферических оболочек тектонитовых ячеек низких порядков. г-н

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа является научным обобщением исследований автора петроструктурных и инженерно-геологических особенностей СТФ Низких Гималаев на примере основания гидроузла Тери. Основные выводы, отражающие научную и практическую значимость проведенных исследований и составляющие предмет защиты, сводятся к следующему:

1. Изучение петроструктурных особенностей дислоцированных филлитов в основании гидроузла Тери позволило идентифицировать эти породы как R- тектониты, характеризующиеся наличием сложной седиментационной ритмичности верхнепротерозойских отложений, будинажом первичных слоистых структур, интенсивным рассланцеванием, наличием складок трех генераций, молодых и древних тектонических нарушений и трещин. Введено новое понятие «ячеисто - зональной структуры» тектонитого массива, представленной мозаикой разно порядковых жестких линз и пластин, разделенных зоной обрамления - более нарушенными породами, и выявлены ее основные морфогенетические особенности. Результаты исследований привели к коренному пересмотру первичных представлений индийских геологов о геологических условиях строительства крупнейшего в Индии гидроузла.

2. Проведенные палеотектонические реконструкции показали, что наиболее существенные структурные преобразования скального массива произошли на первом этапе альпийского тектогенеза и были обусловлены короблением океанических отложений Тетиса и материковых окраин Индостана и Евразии, вследствие их сближения. Интенсивное складкообразование на этом этапе сопровождалось упорядоченным дифференцированным движением слабометаморфизованных тонкослоистых песчано-глинистых пород в крест вектора главных сжимающих напряжений, что привело к формированию тектонитов со специфической ячеисто-зональной структурой. Морфология и размеры складок были обусловлены как интенсивностью сжатия, так и вещественным составом и характером ритмичности деформируемых пород. Обнаружены факты, подтверждающие прогрессивный характер регионального метаморфизма и его синхронность с первым этапом складчатых деформаций. Выявлена морфогенетическая связь дисгармоничной складчатости и разрывной тектоники, эволюция которых сопровождалась все большим обособлением жестких тектонических блоков различных порядков за счет развития оконтуривающих их пластичных оболочек и привела к формированию ячеисто-зональных структур (тектонитовых ячеек). Контрастность зональности ячеек прямо пропорциональна интенсивности тектонической переработки пород. Уточнение геологической истории способствовало лучшему пониманию внутреннего строения основания гидроузла Тери и основных закономерностей пространственной изменчивости его геомеханических свойств.

3. Оценка индивидуального и интегрального влияния петроструктурных факторов на физико-механические свойства основания гидроузла Тери позволили разработать математическую модель, отражающую корреляционные связи между прочностными свойствами СТФ, вещественным составом и «удельным весом» тонкорассланцованных петрологических разностей. Эта модель позволяет распространять на массив результаты геомеханических исследований и осуществлять районирование скального массива по физико-механическим и инженерно-строительным свойствам с учетом влияния масштабного фактора. Для повышения надежности оценок геомеханических свойств СТФ также рекомендован экспериментально-аналитический метод оценки прочностных и деформационных свойств композиционных сред.

4. Специальное инженерно-геологическое моделирование основания гидроузла Тери осуществлялось в соответствии с тремя методологическими подходами:

Традиционным, основанном на представлениях о том, что элементам модели массива, которыми являются блоки скальных пород, блокообразующие тектонические трещины и нарушения, зоны их влияния, зоны с различной интенсивностью развития выветривания и разгрузки, соответствует комплекс расчетных геомеханических характеристик. Этот подход оказался недостаточно эффективен для тектонитового массива.

Классифицированием пород на основе универсальных эмпирических систем (Бенявски, Бартона и др.), что расширило диапазон средств анализа геологических условий строительства сооружений, но не позволило учесть специфические петроструктурные особенности массива. Разработанным автором новым методическим подходом к геолого-геомеханическому моделированию СТФ, учитывающим закономерности формирования пространственной неоднородности инженерно-геологических параметров ячеисто-зональных структур разных масштабных уровней. Новая методика рекомендует последовательное решение следующих задач: реконструирование стратиграфии (использование при документации обнажений и горных выработок специальной петроструктурной классификации пород) - реконструирование складчатой структуры (с учетом ее морфогенетической обусловленности характером слоистых структур) -реконструирование сети разновозрастных соскладчатых тектонических нарушений -выявление ячеисто-зональной тектонитовой структуры скального массива -корреляционно-регрессионный анализ взаимосвязей петроструктурных параметров ячеисто-зональных структур и геомеханических свойств массива - инженерно-геологическая элементаризация и районирование массива.

5. Анализ осложнений при строительстве ГЭС Тери показал, что их причинами послужили неудовлетворительная изученность петроструктурных и инженерно-геологических особенностей тектонитового массива. Причиной осложнений послужили: 1) отдельные нарушения или отдельные ослабленные прослои небольшой мощности крайне неблагоприятно ориентированные по отношению к выработкам; 2) низкие физико-механические характеристики пород в зонах мягких оболочек тектонитовых ячеек IV-ro порядка, обусловленные сгущением сети как молодых, так и древних тектонических нарушений, наличием прослоев милонитов, естественной и техногенной разгрузкой; 3) неудовлетворительная оценка опасности, связанной с оползневыми процессами.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Курбанов Н.К., Романов В.И., Кадымов О.Д., Копытин А.С. и др. Методические рекомендации по комплексированию работ по прогнозу и поискам месторовдений свинца и цинка в терригенных формациях, Издательство ЦНИГРИ, 1984, 39 с.

2. Копытин А.С. Условия локализации медноколчеданного оруденения Наурского рудного поля (Северо-Западный Кавказ). Труды ЦНИГРИ, Вып. 189, 1984 г., с.75-80.

3. Копытин А.С. Применение статистических методов оценки параметров трещин при построении моделей трещиноватости скальных оснований в процессе проектирования и строительства. Сб. науч. Трудов Гидропроекта, 1986, вып.113, с.130-138.

4. Копытин А.С. Математические методы учета факторов, влияющих на характер круговых диаграмм трещиноватости. Сб. науч. Трудов Гидропроекта, 1988, вып. 128, с. 6679.

5. Копытин А.С., Мирошникова JI.C. Авторское свидетельство № 1619063: «Способ определения устойчивости скальных массивов». «Открытия и изобретения», 1991, № 1.

6. Копытин А.С. Структуры терригенных метаморфических комплексов и их инженерно-геологические особенности (на примере ГЭС Тери). Сб. научных Трудов Гидропроекта, 1993, вып. 158, с. 82-93.

7. Копытин А.С. Инженерно-геологический анализ причин разрушения быстротока ГЭС Карун-1. Гидротехническое строительство, «Энергопрогресс», 1996, с. 15-17.

8. Копытин А. С. Структурные особенности и механические свойства сложнодислоцированных метаморфизованных терригенных пород. «Геоэкология», 1997, №6.

9. Каякин В.В., Мулина А.В., Копытин А.С., Андрианов А.В. Инженерно-геологический мониторинг для предотвращения чрезвычайных ситуаций при проходке туннеля в зоне геодинамической активности. Труды XI-й Российской конференции по механике горных пород, С.-Питербург, 1997, с.205-211.

10. Копытин А.С., Козлов О.В. Ячеистая структура нарушенное™ скальных массивов и ее классифицирование / Труды международной научной конференции «Теоретические проблемы инженерной геологии» (Москва, МГУ,25-26 мая 1999), изд-во МГУ, 1999, с.126-127.

11. Копытин А.С. Методические аспекты инженерно-геологических исследований сложнодислоцированной толщи филлитов. Гидротехническое строительство, №3, 2003, с.54-56.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Копытин, Александр Сергеевич, 2004 год

1. Андрианов А.В. Метод разделения пород скального основания на группы сохранности по комплексу свойств. Труды Гидропроекта. 1974, вып. 33, с.144-151.

2. Ватутин С.А. Анизотропия массива горных пород. «Наука», Новосибирск, 1988, 85 с.

3. Бек X. Классификация скальных массивов // Введение в механику скальных пород. М,: Мир, 1983, с. 159-183.

4. Белоусов В.В. Тектонические разрывы, их типы и механизм образования.- Тр. Геофиз. ин-та АН СССР, №17 (144), 1952.

5. Белоусов В.В. Эндогенные режимы материков. М.,Недра, 1978,232 с.

6. Белоусов В.В. Структурная геология. Изд-во Моск. ун-та, 1970,277 с.

7. Богданов Ю.А., Каплин П.А., Николаев С.Д. Происхождение и развитие океана. М., Мысль, 1978,157с.

8. Бондарик Г.К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических свойств пород. М., Недра, 1971

9. Булычк Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. И„ Недра, 1989, 270 с.

10. Варга А.А. Методическое пособие по изучению структур напластования при инженерно-геологических изысканиях для гидротехнического строительства. М., Энергия, 1979,76 с.

11. Варга А.А. Рекомендации по изучению складчатой структуры массивов при инженерно-геологических изысканиях для гидротехнического строительства. М., Энергоатомиздат, 1987.

12. Варга А.А. Инженерно-геологическое микрорайонирование скальных оснований гидротехнических сооружений. Сб. науч. трудов Гидропроекта. 1988.Вып. 128, сс.12-19.

13. Варга А.А. Инженерно-геологический анализ скальных массивов. М., Недра, 1988, 216с.

14. Варга А.А. Об изучении масштабного фактора в скальных массивах. Инженерная геология, №6,1991, с. 3-13.

15. Варга А.А. Эмпирические классификации скальных массивов. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, № 2, 1995, стр. 27-43.16.