III. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ

Трубопроводы (водопроводы, нефтепроводы, газопроводы, рассолопроводы и др.) характеризуются незначительной удельной нагрузкой на основание, обычно не превышающей 2х10⁴ Па, но для них свойственна высокая чувствительность к механическим и температурным деформациям, которые могут вызвать осевые перемещения с повреждением стыковых соединений. Расчет трубопроводов про­изводится с учетом прочности основания, массы пород засыпки или насыпи, глубины сезонного и наличия постоянного промерзания пород, сейсмичности, временных нагрузок (возникающих при пересечении железных и автомобильных дорог), блуждающих токов и степени агрессивного воздействия среды.

Состав и содержание инженерно-геологических изысканий для обоснования строительства трубопроводов и связанных с ними зданий и сооружений (насос­ные, наблюдательные и компрессорные станции, водонапорные башни, резервуары и пр.) определяются требованиями СНиП II-9—78, СНнП П-45—75 (ма­гистральные трубопроводы) СНиП П-28—73, ГОСТ 9.015—74 (защита строитель­ных конструкций от коррозии).

Инженерно-геологические изыскания трубопроводов обычно проводятся в две стадии: на первой — с целью обоснования выбора оптимального варианта трассы; на втором — по выбранному варианту трассы со съемкой участков ин­дивидуального проектирования (оползневые склоны, конусы выноса, участки развития осыпей и пр.).

При работах на первой стадии используются аэрофотоматериалы по району работ, осуществляется их дешифрирование с выделением элементов природной обстановки. Производится наземное или аэровизуальное инженерно-геологи­ческое обследование полосы трассы шириной до 300 м. Осуществляется осмотр и описание естественных обнажений, колодцев, проявлений неблагоприятных физико-геологических процессов л т. п.

Местоположение, количество и глубина выработок определяются изучен­ностью и сложностью инженерно-геологических условий полосы продолжения трассы. При простых инженерно-геологических условиях обычно проходится одна выработка глубиной 3—5 м на 5—10 км трассы пли 1—2 выработки на каждом выделенном инженерно-геологическом участке.

В заключении (oтчете) об инженерно-геологических условиях полосы
проложения трассы приводится сравнительная инженерно-геологическая характеристика вариантов трассы трубопровода и обосновывается выбор наиболее благоприятного варианта. К отчету прилагаются: обзорная топографическая карта с указанием расположения рассмотренных вариантов; схематическая карта инженерно-геологического районирования трассы; схематические геолого-литологические профили (разрезы) всех вариантов, трассы; таблицы результатов лабораторных исследований свойств грунтов и воды.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Гидротехнические сооружения по своему народнохозяйственному значению делятся на гидроэнергетические, водно-транспортные, мелиоративные и водоснабженческие. На реках обычно строятся гидроузлы, с помощью которых решается комплекс народнохозяйственных задач.

В зависимости от условий использования гидротехнические сооружения делятся на основные, используемые при эксплуатации объекта (плотины водосбросы, туннели и каналы, напорные трубопроводы, здания ГЭС, шлюзы и т. п.), и вспомогательные, используемые только в период строи­тельства и ремонта сооружений (перемычки, оградительные станки, водоотводящие тоннели и каналы и т. п.).

Наиболее ответственными сооружениями гидроузлов являются плотины, которые классифицируются следующим образом: а) по условиям обеспечения устойчивости от сдвигающей нагрузки - гравитационные, арочные, контрфорсные; б) по материалу, из которого они возводятся, — бетонные, каменно-набросные, земляные (намывные, насыпные); в) по высоте: низкие — до 10 м, сред­ние от 10 до 50 м, высокие от 50 до 150 м. сверхвысокие более 150 м.

В основе организации проектно-изыскательских работ для гидротехнического строительства лежит их этапность: предпроектные работы — схема комплекс­ного использования реки и технико-экономическое обоснование; проектные ра­боты (стадии) — технический проект и рабочие чертежи. Для наиболее простых сооружений возможно одностадийное проектирование с составлением технорабочего проекта. Содержание этапов проектирования приведено ниже.

I. Работы для обоснования схемы комплексного использования реки. Целью доставления схемы комплексного использования реки (для нужд энергетики, мелиорации, судоходства и др.) является разработка технического замысла ис­пользования водных ресурсов, разбивка реки на ступени, определение экономических показателей отдельных гидроузлов и выбор объектов первоочередного строительства. Инженерно-геологические изыскания, задачей которых является обоснование выбора наиболее благоприятных районов размещения гидроузлов и водохранилищ, проводится в два этапа.

1) На первом, подготовительном, этапе сначала проводится сбор и систематизация фондовых и литературных материалов, затем главный инженер проекта (совместно с геологом и геодезистом) проводит рекогносцировочное обследование района предстоящих работ. В результате первого этапа составляется программа и смета на изыскания.

2) На втором этапе сначала производят общие инженерно-геологические исследования долины реки на ступени и выявления возможности строительства гидроузлов и создания водохранилищ. В состав этих работ входят инженерно-геологическая съемка масштабов от 1 : 50000 до 1:200 000 и в случае необходимости – работы по изучению специальных вопросов, которые имеют важное значение для обоснования схемы: возможности утечек из водохранилища, сейсмичности, многолетней мерзлоты и др.

На основании всех этих работ проводится инженерно-геологическое райони­рование изучаемой долины реки.

На выявленных общими исследованиями участках возможного размещения гидроузлов проводятся следующие работы.

Инженерно-геологическая съемка, масштаб которой устанавливается в за­висимости от категории сложности и характера гидроузла.

Геофизические исследования, ставящие своей задачей выделение основных геологических границ.

Геофизические исследования дополняют и уточняют данные инженерно-геологической съемки и позволяют дать правильное направление горно-буровым работам.

Буровые и горные работы. На участках гидроузлов разведочные выработки задаются с учетом данных съемочных и геофизических работ. Для разведки основании подпорных сооружений выработки располагаются по поперечникам (створам) и должны быть приурочены ко всем основным геоморфологическим элементам долины, а в пределах одного элемента — находиться на расстоянии от 50 до 300 м. Крайние выработки на створе следует располагать за границами проектируемого подпора в пределах зоны влияния сооружения на борта долины. Глубина выработок определяется необходимостью изучения рельефа коренного ложа долины, установления состава, условий залегания и состояния
пород, выявления устойчивости береговых примыканий, а также изучения гидрогеологических условий и водопроницаемости пород. В равнинных речных долинах разведка ведется преимущественно буровыми скважинами. На створах
высоконапорных гидроузлов, располагающихся в горных долинах, рекомендуется
проходка штолен в береговых примыканиях плотин.

Гидрогеологические исследования на участках гидроузлов должны охарак­теризовать условия фильтрации в районе плотины и возможность фильтрацион­ных деформаций ее основания. Для выявления этих условий на створах гидроузлов первой очереди проводятся опытные откачки, нагнетания, наливы и наблюдения за режимом подземных вод. На остальных створах эти условия характе­ризуются на основании наблюдений при съемке и бурении, а опытные работы могут проводиться в весьма ограниченном объеме и только в том случае, если гидрогеологическая обстановка имеет решающее значение для выбора района гидроузла.

Изучение физико-механических свойств горных пород c с целью их классификации и оценки состояния и свойств проводится для всех створов. Для гидроузлов первой очереди могут выполняться в небольшом объеме исследования показателей прочности и сжимаемости отдельных наиболее характерных разностей пород.

Поиски и разведка строительных материалов проводятся для решения вопросов обеспеченности ими строительства проектируемых гидроузлов с подсчетом запасов, превышающих потребности в 2 – 3 раза, по категориям С₁ и С2.

II. Работы для обоснования ТЭО и на стадии технического проекта. Решение о проектировании и строительстве гидротехнического объекта принимается исходя из схемы комплексного использования реки на основе технико-экономического обоснования (ТЭО). В ТЭО должен быть выбран участок для гидротехнического объекта и подтверждена экономическая целесообразность и хозяйственная необ­ходимость строительства его на этом участке. В связи с этим изыскания для ТЭО по своей направленности, составу и объему работ соответствуют изысканиям для первого этапа технического проекта

В техническом проекте должно быть окончательно выбрано место располо­жения гидротехнического объекта и с исчерпывающей полнотой решены все вопросы сто строительства. В соответствии с этим изыскания для технического проекта делятся на два этапа: 1) для выбора одного варианта из ряда конку­рирующих и 2) по выбранному варианту для обоснования проекта сооружения и проекта производства строительных работ.

На участках плотин, приплотинных зданий ГЭС, шлюзов и других соору­жении, входящих в крупные гидроузлы, проводятся следующие работы.

Инженерно-геологическая съемка привидится на всех конкурирующих участках створа в масштабах, указанных в табл. 93. Площадь съемки должна быть достаточной для правильной оценки общих геологических условий участка, размещения всех вариантов компоновок сооружений и оценки инженерно-геоло­гических процессор, способных возникнуть после возведения сооружения (фильтрации в обход плотины, оползания откосов, размыва русла в нижнем бьефе и т. п.). На выбранном участке проводится инженерно-геологическая съемка более крупного масштаба, которая в горных районах должна сопровождаться специальными исследованиями трещиноватости пород, а в сейсмически актив­ных районах — микросейсморайонированнем.

1) На первом этапе разведочные выработки располагаются на всех конкури­рующих вариантах створов. Результаты проходки выработок, совместно с дан­ными других работ, должны освещать: 1) особенности геологического строения и геоморфологических условий; 2) основные черты строения погребенной части долины (положение коренного ложа долины, наличие эрозионных врезов и т. п.); 3) границы основных стратиграфических, генетических и литологических типов пород, их состав и состояние; 4) мощность зоны выветривания, положение уровня подземных вод. Выработки должны располагаться на всех геоморфологических и структурных элементах долины реки.

Глубина выработок определяется необходимостью изучения пород, которые могут служить основанием сооружении с учетом оценки возможного изменения состояния этих пород; выявления основных закономерностей геологического строения с четким определением контактов между породами и установлением мощности зоны выветривания; выявления гидрогеологических условий. При слож­ном геологическом строении на наиболее ответственных участках должны про­ходиться шурфы, а в береговых примыканиях — штольни.

На выбранном створе разведочные работы проводятся по плотине и осталь­ным сооружениям, для всех вариантов их компоновки, разрабатываемых в про­екте. Разведочные выработки располагаются по осям сооружений и линиям, параллельным и перпендикулярным к осям. Число разведуемых линий и расстоя­ние между ними, а также расстояние между выработками зависят от размеров сооружений и от категории сложности инженерно-геологических условий {см. табл. 94). Обязательной является проходка выработок по оси сооружения и по двум оконтуривающим сооружение линиям, располагаемым обычно на расстоянии около 100 м от оси. Разведочными выработками должны быть также освещены условия проходки строительных котлованов для сооружений гидро­узла. Глубины выработок определяются глубиной распространения воздействия нагрузок от сооружений (активная зона); глубиной зоны фильтрации; возмож­ными границами возникновения таких явлений, как механическая и химическая суффозия, взвешивающее давление и т. п.

Тип и сечение выработок определяется инженерно-геологическими условиями и характером проецируемого сооружения. При решении ответственных задач, особенно на участках высоких плотин в долинах горных рек, наибольшее значение имеет проходка штолен, шахт, шурфов и смотровых скважин.

Гидрогеологические исследования при выборе варианта гидроузла прово­дятся в объеме, необходимом для сопоставления гидрогеологических условии конкурирующих вариантов. Для выбранного варианта объем этих исследований должен обеспечивать выполнение всех расчетов (определение фильтрационных потерь, расчет гидродинамического давления, суффозии, водопритоков в котлованах и т. п.). Верхней границей исследований является отметка НПУ, нижняя определяемся глубиной зоны интенсивной фильтрации, которая может быть ограничена водоупорным пластом. Максимальная глубина исследований оснований подпорных сооружении не должна превышать одного-двух напоров. Лишь при сложных гидрогеологических условиях (наличии напорных вод, соленосных пород и др.) исследования могут производиться на большую глубину. Исследования водопроницаемости береговых примыканий производятся в полосе, ширина которой при слабой водопроницаемости пород равна мощности покровных отложений; при средней водопроницаемости составляет 1—2 напора на плотине, при сильной водопроницаемости — до 10 напоров, а в карстовых районах — более 10 напоров.

Исследования включают: опытные нагнетания (на подпорных coopужениях); откачки (кустовые и из одиночных скважин); наливы в шурфы и скважины; определение истинных скоростей фильтрации; стационарные наблюдения за колебаниями уровней подземных вод, изменение их мимического состава и температуры. Кроме того, могут проводится лабораторные исследования водопроницаемости пород.

Изучение химического состава подземных вод должно вестись в течение всего периода изысканий под технический проект с целью оценки гидрохимических процессов, установления связи между водоносными горизонтами и определение агрессивности вод по отношению к бетону. Каждый водоносный горизонт должен быть охарактеризован не менее чем 10-20 пробами.

Исследования физико-механических свойств пород и изучение их петрографического и химического состава на первом этапе исследований производятся для классификации и общей оценки состояния пород. Определение расчетных значений прочности и сжимаемости пород выполняется лишь, для слоев, харак­теристика которых может существенно повлиять на выбор створа. Количество определений каждого показателя для каждого из выделенных слоев должно быть от 5 до 20.

2) На втором этапе путем лабораторных и полевых исследований должны быть определены как классификационные показатели физических свойств и петрографо-минерального и химического состава, так и показатели состояния пород. Количество определений каждого показателя для каждого слоя (разности) должно быть от 20 до 50. На этом этапе проводят лабораторные и полевые исследования прочности и сжимаемости пород и устанавливают их расчетные показатели. Число определений каждого из этих показателей для каждого слоя (разности) — от 10 до 30. Полевые опыты по сдвигу штампов и нагрузкам на штамп являются обязательными для плотин высотой более 25 м.

Оценку свойств скальных пород следует проводить с учетом характера их трещиноватости, выветрелости, наличия зон тектонических нарушении и т. п. Для оценки естественного состояния песчаных и глинистых пород рекомендуется применять статическое и динамическое зондирование.

Геофизические работы проводят как для уточнения геологического строения участка, так и для решения специальных задач: 1) оценки гидрогеологических условии (направления и скорости грунтового потока) методами заряженного тела, естественного поля и электрохимическим методом; 2) изучения физико-механических свойств скальных пород в массиве (прочности, упругости, плотности) и их расчленения по степени сохранности сейсмическими и ультра­звуковыми методами, а также методами электрокаротажа и ядерной геофизики.

II. На первом этапе основными видами исследований являются инженерно-геологическая съемка масштабов от 1 : 5000 до 1 : 25 000 в полосе шириной от 1 до 2 км и бурение разведочных скважин на поперечниках длиной от 100 до 200 м. расположенных через 200-250 м. На втором этапе (после выбора трассы) на участках расположения наиболее ответственных сооружении, и наиболее слож­ных по геологическому строению, проходят дополнительные выработки (шурфы и скважины). Глубина выработок в общем случае определяется глубиной выемки канала. Она должна быть больше последней на 3 – 5 м. В случае возможности значительных фильтрационных потерь из канала выработки следует доводить до водоупора.

Гидрогеологические исследования выполняются для оценки фильтрации из канала, прогноза подтопления территории, прилегающей к каналу, и установления условий проведения работ. На первом этапе исследований опытно-фильтрационные работы (откачки из скважин и наливы в шурфы и скважины) производятся в том случае, если размеры фильтрации могут существенно повлиять на выбор трассы. На втором этапе опытными работами определяется водопроницаемость всех пород, распространенных по трассе. Для прогноза подтопления территории, прилегающей к каналу, проводятся специальные исследования, аналогичные работам, проводимым на водохранилищах. Физико-механические свойства пород изучаются так же, как и на участках подпорных гидротехнических сооружений.

В районах со сложным геологическим строением проходят более глубокие выработки (преимущественно скважины) для вскрытия пород, в которых проектируется тоннель. Скважины доводятся до глубины заложения тоннеля, если она не - превышает 300 м. Количество выработок определяется необходимостью осветить неблагоприятные участки; количество глубоких буровых скважин (100 — 300 м) не должно быть более одной па 3 км трассы. При глубоком (более 300 м) заложении тоннеля основными видами изыскании являются геологическая съемка и геофизическая разведка. На участках порталов проходятся разведочные вы­работки на поперечниках для изучения мощности рыхлых или ослабленных выветриванием отложений. Расстояния между поперечниками колеблются от 100 до 200 м, между скважинами на поперечниках — от 25 до 100 м.

После выбора трассы проходят дополнительные скважины и горные выработки по оси тоннеля для уточнения геологических условий принятой трассы и выяв­ления условий проходки тоннеля. Количество глубоких скважин (100—300 м) должно быть не более одной на 2—3 км трассы; расстояние между более мелкими выработками колеблется от 100 до 500 м в зависимости от сложности геологи­ческого строения района. Для изучения участков порталов, помимо скважин я шурфов, проходится штольня.

Гидрогеологические исследования проводятся для оценки притока воды в тоннель в период строительства и утечки воды из тоннеля в процессе эксплуа­тации. Они состоят из опытно-фильтрационных работ, проводимых в основном на выбранной трассе тоннеля, а также из стационарных наблюдении за режимом уровня, химизма и температуры подземных вод. В процессе этих наблюдений изучается также температурный режим и газоносность пород по трассе тоннеля.

Физико-механические свойства пород исследуются как в лабораторных, так и в полевых условиях (определение упругого отпора и горного давления в штоль­нях и шахтах).

На участках станционных узлов деривационных гидроэлектростанций исследования тоже проводятся в два этапа. На первом этапе по всем вариантов узла производят инженерно-геологическую съемку масштаба от 1 : 2 000 до 1 : 10 000, а также разведочные работы. Разведочные выработки располагаются на участке напорного бассейна, на площадке здания станции и на сопрягающем их склоне. Выработки должны вскрыть породы, которые могут служить надежным основанием сооружения. на глубины: 00 до 15-20 м.

1) на участке напорного бассейна на глубину 10—20 м от дна бассейна; 2) на трассе напорного трубопровода — на 5—7 м ниже фундаментов опор; 3) на площадке здания станции — на 10—15 м глубже проектируемой отметки заложения фундамента. В случае проектирования подземной станции, в пределах ее расположения должна быть пройдена скважина на 15—20 м глубже основания станции. При сложных геологических условиях здесь должна быть пройдена горная выработка (штольня или шахта).

На втором этапе исследований разведывают только участок выбранного варианта. В пределах напорного бассейна скважины проходят на расстояниях 20—30 м. одну от другой. На трассе напорного трубопровода скважины располагают на поперечниках в характерных точках; на участке здания станции их закладывают на расстоянии 25—50 м одна от другой. Глубины скважин определяются с учетом результатов первого этапа исследований. Гидрогеологические исследования и лабораторные исследования физико-механических свойств пород проводятся в объемах, обеспечивающих обоснование проекта.

На участке водохранилища инженерно-геологические изыскания должны обеспечить получение всех необходимых данных, на основании которых могут быть оценены условия устройства водохранилища, сделан прогноз фильтрации из водохранилища и влияния его на прилегающие территории (подтопление, переработка берегов и т. п.), а также обоснован проект защитных мероприятий.

Исследования проводятся в следующей последовательности.

Для общей оценки территории водохранилища проводится инженерно-геологическая съемка масштаба от I : 50 000 до 1 : 200 000. Съемка должна покрывать всю чашу водохранилища и его берега в пределах полосы, которая может подвергнуться переработке и подтоплению, а также те участки, на которых ожидаться фильтрация из водохранилища в борта. На основании съемки устанавливают участки возможного проявления инженерно-геологических процессов, на которых проводятся более детальные исследования.

На участках возможной фильтрации в борта водохранилища проводится гидрогеологическая съемка и бурение скважин по поперечникам через водораздел. На каждом поперечнике проводят одну-две откачки из водоносных пластов и опробуют опытными нагнетаниями породы, которые после образования подпора окажутся обводненными. Скважины оборудуют для проведения в них стационарных наблюдений продолжительностью не менее одного года.

На участках возможного подтопления и переработки берегов для прогнем подпора грунтовых вод и размеров переработки выполняют инженерно-геологическую съемку и бурение скважин по поперечникам. При оценке подтопления производится опробование всех основных разностей водоносных пород (откачками или наливами), а также — стационарные режимные наблюдения.

Масштаб инженерно-геологической съемки, выполняемой на участках возможной фильтрации из водохранилища, а также на участках возможного подтопления или переработки берегов, определяется категорией сложности геологических условий района и может изменяться от 1 : 25000 до 1 : 5000. На берегах разбуриваются гидрогеологические поперечники.

Поиски и разведку строительных материалов выполняют одновременно с изысканиями для обоснования проектов сооружений, так как от наличия тех или иных видов строительных материалов зависит выбор экономичного типа гидротехнического сооружения. На первом этапе изысканий выполняют поиски и разведку месторождений для выявления запасов по категориям С₁ и В и полу­чения данных, необходимых для сопоставления вариантов расположения сооружений.

На втором этапе производится разведка месторождений, наиболее перспективных для выбранного варианта. Разведанные запасы должны соответствовать категориям В и А и на 30—50% превышать заявленные потребности.

III. Работы на стадии рабочих чертежей в период строительства эксплуатация сооружений. Задачей проектирования на стадии рабочих чертежей является доработка и уточнение технических решений; внесение изменении в проект в соот­ветствии с решением утверждающей инстанции по техническому проекту: разработка детальных конструктивных решений для отдельных сооружений и их элементов. Результаты инженерно-геологических изыскании на этой стадии должны обосновать решение конкретных задач, возникающих в процессе проектирования и строительства сооружений, а также уточнить и детализировать условия проведения строительных работ.

Инженерно-геологические исследования на этой стадии включают полный комплекс изыскательских работ и специальные исследования. Большое значение приобретают горные выработки (шурфы и штольни) и исследования инженерно-геологических свойств пород в естественном залегании. В ряде случаев производятся опытные строительные работы.

В период строительства и эксплуатации сооружений выполняются следующие работы: 1) инженерно-геологическая документация строительных выемок и контроль за ходом строительства; 2) геотехнический контроль за возведением земляных сооружений и других качественных насыпей; 3) наблюдения за режимом подземных вод; 4) наблюдения за подтоплением и переформированием берегов водохранилища.

На основании всех этих наблюдений вносятся необходимые изменения в проект сооружения, уточняются способы проведения строительных работ и режим эксплуатации сооружения.