Инженерно-тектонические исследования скальных массивов

Главными методическими направлениями инженерно-тектонических исследований считаются: а) полевое изучение структур скальных массивов; б) изучение историкогенетических свойств скальных массивов и в выявление структурных дефектов в основаниях сооружений.
Выявление и полевое изучение структур должно проводиться оптимальным для конкретных геологических условий комплексом методов, включающим детальное инженерно-геологическое картирование, геофизические и др. методы, необходимые для составления структурно-геологической модели скального массива. А.А. Варгой предлагается использовать при этом ряд нетрадиционных методов (изучение симметрии, цикличности, применение эллипсоида деформации, фототеодолитных измерений и т.д.). Важной проблемой является оптимизация исследований, характерными чертами которой считаются: а) разнообразие задач и критериев, не позволяющее сводить оптимизацию к одной только экономии средств на изыскания; б) сложность оптимизации, не позволяющая обойтись упрощенными расчетами и графиками без творческого (т.е. нестандартного) подхода и без тесной взаимосвязи структурных исследований с проектированием); в) некоторые недооценка конкретной геологии и переоценка практической значимости различных нормативных документов, т.е. строгой регламентации объемов разведочных работ. По мнению А.А. Варги, мировой опыт гидротехнического строительства свидетельствует о том, что основные потери объемов разведочных работ происходят не из-за несовершенства сетей разведочных выработок и точек опробования, а, во-первых из-за плохих техзаданий на проведение изысканий, не обоснованных предварительными проектными проработками, кроме того из-за недостаточной согласованности в работе изыскателей и проектировщиков, из-за излишней многовариантности проектирования, из-за отставания проектирования от изысканий, выражающегося, прежде всего, в запоздалом принятии проектных решений и, наконец, из-за неудовлетворительной системы планирования и финансирования полевых работ, делающей изыскательские организации незаинтересованными в сокращении бурения и частичной замене его геофизическими методами и зондированием. Мировой опыт показывает также, что главная проблема изысканий заключается не в экономии средств на исследования, а в своевременном выявлении всех неблагоприятных геологических факторов.
Изучение историко-генетических особенностей структур скальных массивов предусматривает использование генетического подхода к изучению трещиноватости, принципа униформизма (с необходимыми его ограничениями) при анализе истории тектонического развития района исследований и скального массива, разработку инженерно-геологической классификации скальных оснований. При этом отмечается, что изучение историкогенетических особенностей структур и сам инженерно-тектонический анализ в целом принадлежат к индуктивным методам исследования. Попытки их замены дедуктивными методами с проведением соответствующей формализации представляются А.А. Варге неправомерными на современном этапе развития геотектоники. По его мнению, анализ генетических классификаций трещиноватости показал, что они отражают, по существу главные генетические факторы, а не генетические типы. Отсутствие общей теории происхождения трещиноватости и нерешенность вопросов механизма ее формирования не позволяют в настоящее время создать обоснованную классификацию генетических типов трещин. В этих условиях рекомендуется применять более объективные геометрические классификации структур. Предлагаемая А.А. Варгой классификация скальных оснований гидротехнических сооружений полезна на начальных стадиях изысканий, способствуя планированию детальных исследований, систематизации изыскательских материалов и обобщению опыта исследований. Эта классификация рассматривает соотношения литологических типов пород и типов структур скальных оснований с учетом их одно—двух и грех ярусного строения и возраста ярусов.
Изучение и оценка инженерно-геологических свойств скального массива, контролируемых разнородными структурами, и выявление структурных дефектов оснований важны для определения деформационных свойств, прочности, степени водопроницаемости массива и устойчивости скальных откосов. Эти оценки нуждаются в прогнозе инженерногеологических процессов, происходящих под воздействием строительных работ, нагрузок от сооружений и изменений гидрогеологической обстановки. Однако расхождение свойств реальных массивов с упрощенными моделями, используемыми в расчетах, часто не позволяют получить достаточно точные описания свойств оснований. Так, не всегда удается вычислить фильтрационные потери в закарстованных породах, отсутствует надежная методика оценки прочности трещиноватого массива и т.д. Все это повышает значимость натурных наблюдений за поведением оснований при строительстве и эксплуатации сооружений, позволяющим проводить уточнение и корректировку проекта.
По мнению А.А. Варги, при выделении квазиоднородных участков интерпретации результатов лабораторных и полевых геомеханических исследований, определении расчетных показателей и оценке свойств всего основания в целом большое значение приобретает изучение масштабного эффекта. Основным фактором, контролирующим изменение неоднородности, анизотропии, дискретности скального массива в зависимости от масштаба (детальности) изучения, является его структура и прежде всего порядки в иерархии структурных форм. Масштабный эффект нельзя оценить только путем учета соотношения размеров элементов неоднородности и области изучения. Необходим комплексный (качественный и количественный) анализ реальных структур конкретного массива. Знание закономерностей влияния масштабного фактора позволит сократить и удешевить опробование и в большей мере опираться на изучение небольших образцов.
На начальной стадии изысканий необходимо шире применять простейшие методы анализа инженерно-геологического влияния структурных факторов для приближенной оценки свойств скальных массивов. Так, А.А. Варга предлагает ориентировочную оценку деформационных свойств массива проверить с использованием коэффициента вертикальной податливости (КВП) вместо коэффициента трещинной пустотности (Ктп), не учитывающего характера залегания трещин. Для оценки устойчивости откоса и определения оптимального направления цементационных и дренажных скважин с учетом мелкой трещиноватости им рекомендуются простейшие графические методы на основе применения круговых трещинных диаграмм.
Математические методы расчета устойчивости откоса, деформации и фильтрации основания непосредственно по параметрам трещиноватости используют очень упрощенные модели скального массива и характеризуются обычно невысокой точностью. Так, приближенная оценка фильтрации по трещинным параметрам вызывается ненадежностью полевых замеров ширины трещин, недоучетом неоднородности трещинной решетки и порядков трещинных систем, недоучетом выборочного характера движения подземных вод в массиве и в пределах одной трещины, недооценкой процессов суффозии заполнителя и кольматожа трещин и др. Поэтому упомянутые методы не могут заменить традиционные геотехнические и опытнофильтрационные исследования. Для повышения точности и надежности аналитических методов необходимо разработать детальную структурную классификацию трещиноватых массивов по комплексу инженерно-тектонических параметров и на историко-генетической основе. Это позволит делать выбор наиболее важных показателей трещиноватости, устанавливать закономерности изменения инженерно-геологических свойств массива в зависимости от инженерно-тектонических параметров, подбор аналогов, выбор расчетной схемы и оптимального комплекса исследований для каждого конкретного типа структурных условий.
Из сказанного ясно насколько далек современный уровень методики инженернотектонических исследований от старой ранжированной системы операций, которая необходима для полной нормированной производственной деятельности в сфере инженерногеологических изысканий. В настоящее время они требуют творческой, исследовательской работы по существу на всех крупных и ответственных объектах. Выработаны главные стратегические направления исследований, но методика как таковая еще только разрабатывается, а поэтому ее существующие варианты далеки от совершенства.
Совершенствование изысканий на скальных массивах существенно зависит от привлечения новых методов, позволяющих выяснять различные стороны их строения. А.А. Варга предлагает в частности использовать в инженерно-тектоническом анализе изучение симметрии структур в массиве, цикличности осадочных пород, фототеодолитную съемку, для выявления смещений, метод эллипсоида деформаций для изучения разрывных нарушений, новые подходы к выявлению активизированных структур. Следует отметить, что большинство этих методов разрабатывается не только применительно к гидротехническому строительству, но и при других видах инженерно-геологических изысканий и исследований, связанных с гидрогеологией и другими прикладными исследованиями. Поэтому можно говорить о едином фронте поиска новых методов совершенствования всех видов инженерногеологических изысканий.