Embed Size (px)
DESCRIPTION
teza de doctorat rezumat
Citation preview
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII
BUCUREŞTI
DEPARTAMENTUL DE GEOTEHNICĂ ŞI FUNDAŢII
ING. LAURENŢIU FURNIGEL
REZUMAT
TEZĂ DE DOCTORAT
CERCETAREA FORMAŢIUNILOR DE FLIŞ CU PRIVIRE SPECIALĂ ASUPRA PERMEABILITĂŢII ROCILOR CA
TEREN DE FUNDARE PENTRU BARAJE
Conducător ştiinţific:
Prof. univ. dr. ing. EUGENIU MARCHIDANU
BUCUREŞTI
2012
COMPANIA NATIONALA DE AUTOSTRAZI SI
DRUMURI NATIONALE DIN ROMANIA
CERCETAREA FORMATIUNILOR DE FLIS CU PRIVIRE SPECIALA ASUPRA PERMEABILITATII ROCILOR CA
TEREN DE FUNDARE PENTRU BARAJE
Cuvinte cheie: permeabilitate, absorbţie specifică de apa, fisuri, unitate Lugeon, injecţii
CUPRINS
1. INTRODUCERE 2. FORMAŢIUNEA GEOLOGICĂ DE FLIŞ 2.1. STRUCTURI TECTONICE ALE FLIŞULUI ÎN ROMÂNIA 3. DISCONTINUITATI FIZICE ÎN MASIVELE DE ROCI STÂNCOASE,
STRATIFICATE 3.1. DEFORMAREA ROCILOR 3.2. FISURI 4. PRELUCRAREA CARTOGRAFICA ŞI INTERPRETAREA MASURATORILOR
DE FISURATIE 4.1. PROIECŢIA STEREOGRAFICĂ 4.2. PROIECŢIA POLARĂ 4.3. DIAGRAME ÎN FORMĂ DE ROZETĂ 5. CERCETAREA „IN SITU” ŞI ÎN LABORATOR A PERMEABILITATII ROCILOR
FISURATE 5.1. CURGEREA PRIN FISURI 5.2. PARTICULARITĂŢI ALE CURGERII PRIN FISURI 5.3. ÎNCERCĂRI DE PERMEABILITATE ÎN ROCI FISURATE 6. ELEMENTE PRIVIND IMPERMEABILIZARE ROCILOR STÂNCOASE
FISURATE 6.1. PARTICULE MINERALE ÎN SUSPENSII – CARACTERISTICI,
INTERACŢIUNI 6.2. VÂSCOZITATEA SUSPENSIILOR 6.3. SUSPENSII – CARACTERISTICI DE UTILIZARE, PROPRIETĂŢI,
MATERIALE, REŢETE UZUALE 7. ELEMENTE DE HIDROGEOLOGIE ŞI IMPERMEABILIZAREA PENTRU
UNELE BARAJE DIN ROMÂNIA SITUATE ÎN ZONA FLIŞULUI CARPATIC 7.1. BARAJUL POIANA UZULUI 7.2. BARAJUL PALTINU 7.3. BARAJUL SIRIU 8. CONTRIBUTII ŞTIINŢIFICE LA STUDIEREA ROCII DE FUNDARE ÎN
AMPLASAMENTUL BARAJULUI AZUGA (ÎN ZONA FLIŞULUI) 9. CONCLUZII BIBLIOGRAFIE
1
1. INTRODUCERE În cadrul rocilor stâncoase formaţiunea flişului prezintă un caracter aparte, fiind larg
răspândită în cadrul masivelor muntoase din România, cu precădere în zona Carpaţilor Orientali.
Reţeaua hidrografică densă, energia de relief şi caracteristicile demografice – economice au constituit factori favorabili pentru realizarea unor baraje importante în zona ocupată petrografic de flişul Carpaţilor Orientali.
Lucrarea de doctorat conţine elemente privind cercetarea permeabilităţii şi injectabilităţii rocilor stâncoase cu particularizarea asupra rocilor flişului. Aceste tipuri de roci au fost analizate din punct de vedere genetic, petrografic, tectonic şi microtectonic, hidrogeologic, geomecanic, evidenţiindu-se neomogenitatea, răspunsul la eforturi şi dezvoltarea discontinuităţilor.
În cadrul tezei există câteva analize de caz pentru baraje fundate în zona flişului – Poiana Uzului, Paltinu, Măneciu, Siriu, Azuga, Săcele. La barajele Azuga (proiectat) şi Săcele am participat efectiv la proiectare şi urmărirea execuţiei, elemente relevate în ultimele capitole.
Această lucrare a fost elaborată sub atenta îndrumare a domnului profesor universitar dr. ing. E. Marchidanu al cărui profesionalism, excelenţă ştiinţifică şi generozitate sunt binecunoscute şi căruia îi mulţumesc cu recunoştinţă.
2. FORMATIUNEA GEOLOGICA DE FLIŞ Conform dicţionarului de geologie, Editura Didactică şi pedagogică, R.A. Bucureşti,
1998, „flişul” (termen introdus de Bertrand în 1897) defineşte totalitatea depozitelor acumulate în geosinclinale şi provenind pe seama cordilierelor în curs de ridicare datorită mişcărilor orogenice. Asociaţiile de fliş se caracterizează prin ritmicitate şi termeni litologici variabili: gresii, argile, calcare, marne, conglomerate, gresii – siltite cu structuri variate, granoclasări, stratificaţii paralele şi încrucisate, mecanoglife, similare cu cele ale turbiditelor actuale.
Depozitele de fliş s-au acumulat în bazine de tipul foselor de subducţie şi bazinelor remanente.
2.1. STRUCTURI TECTONICE ALE FLIŞULUI ÎN ROMÂNIA Pe teritoriul României formaţiunea de fliş este răspândită predominant în zona
Carpaţilor Orientali şi în subsidiar în Munţii Metaliferi, Trascău, respectiv în Carpaţii Meridionali – flişul de Severin (fig. 2.1).
Flişul Carpaţilor Orientali reprezintă substratul pe care s-au construit barajele analizate în cadrul prezentei lucrări.
Din punct de vedere genetic se poate menţiona că în Neocretacic, în cadrul marii flişului a apărut aproximativ median o ridicare majoră activă – „cordiliera cumană” – care a împărţit marea flişului într-o zonă internă cu crustă oceanică, delimitată la vest de blocul central carpatic (flişul intern) şi o zonă externă cu fundament continental şi mixt instabil (flişul extern) – fig. 2.2.
a
b
c
Blocul central carpatic
Fundament oceanic
Margine continentala
(cordiliera camera)Flos extern
Margine continentala
instabila
P. CeahlauP. Teleajen
Eforturi de tensiune
si compresare
Eforturi de compresare
Fig. 2.2 Schema evoluţiei mării flişului carpatic; a – perioada geosinclinală; b – perioada de expansiune a fundului oceanic; c – perioada de cutare – stadiul de fliş orogenic cu vergenţa cutelor către marginea
continentală (după V. Mutihac, 1975)
Flişul intern conţine roci sedimentare cu vârste cuprinse între Jurasic (Tithonic superior) şi Eocen. Sursa de alimentare cu material terigen a constituit-o zona cristalino-mezozoică. Flişul intern este dominat de rocile arenitice cu caracter eterogen, polimictic. Tectogeneza
Fig. 2.1. Harta geologică a Carpaţilor Orientali (după V. Mutihac, 1975)
2
neocretacică a cutat şi fracturat formaţiunile flişului intern; totodată acesta s-a desprins de pe substrat fiind împinse peste formaţiunile flişului extern pe care îl încalecă dinspre partea sa internă.
În cuprinsul flişului intern s-au individualizat două mari unităţi tectonice: pânza de Ceahlău şi pânza de Teleajen cu vârste cuprinse între Jurasic superior – Paleogen.
Pânza de Ceahlău cuprinde jumătatea internă (extrem estică) a flişului. Evoluţia pânzei de Ceahlău se întinde în intervalul Tithonic – Albian. Grosimea depozitelor sedimentare este 3.000 – 4.000 m.
Între cele mai importante structuri geologice ale pânzei de Ceahlău se numără „Stratele de Sinaia” – alcătuite dintr-o alternanţă de gresii cu şisturi argiloase marnoase, marnocalcare, conglomerate, breccii (aport terigen important) care prezintă în bază marnocalcare.
Ca structuri importante ale flişului intern se mai pot cita – Stratele de Comarnic, Conglomeratele de Ceahlău şi flişul de Bobu şi Stratele de Teliu.
Pânza de Teleajen (pânza flişului curbicortical) se găseşte la est faţă de fosa pânzei de Ceahlău.
Datorită subsidenţei mai active (începând cu barremianul) şi distanţei mari faţă de principala zonă de alimentare cu material terigen se dezvoltă o serie ritmică, groasă de fliş curbicortical, reprezentată prin şisturi argiloase negricioase, formaţiuni curbicorticale, gresii, conglomerate de vârstă Cretacic. În Cretacicul superior apare o predominare a aportului pelitic (şisturi argiloase marnoase).
Flişul extern se găseşte la est faţă de flişului intern, fiind separat de acesta prin ”cordiliera cumană”.
Aranjamentul tectonic al flişului extern este de asemeni în pânze de şariaj care s-au individualizat în Miocenul timpuriu.
Cea mai reprezentativă structură a flişului extern este constituită din Pânza de Tarcău (unitatea medio-marginală) alcătuită din roci de tipul şisturilor argiloase negre (Cretacic inferior), alternanţe de gresii, conglomerate şi marne cenuşii sau roşietice (Cretacic superior), formaţiuni paleogene reprezentate prin gresii de Tarcău (Eocen), gresii de Kliwa (Oligocen), strate de Cornu care conţin gipsuri, gresii, şisturi bituminoase (Miocen). Alte structuri importante ale flişului extern sunt pânza de Audia, pânza de Vrancea – care apare în semisferele tectonice deoarece este acoperită în mare parte de pânza de Tarcău – flişul transcarpatic (întâlnit în Maramureş, de vârstă Paleogen, alcătuit din gresii şi marne).
3. DISCONTINUITATI FIZICE ÎN MASIVELE DE ROCI STÂNCOASE, STRATIFICATE
3.1. DEFORMAREA ROCILOR La solicitările exterioare rocile şi mineralele suferă deformaţii funcţie de factorii externi
(presiune litostatică, temperatură, anizotropie, timp, fluide de impregnaţie, etc.). Comportarea rocilor supuse într-un domeniu larg de presiuni, temperaturi şi timp acoperă spectrul de la casant la ductil (fig. 3.1).
Curbele
caracteristice
sress - deformare
(
Casant Casant - ductil
Ductil
Extensiune
(
Compresiune
(
Deformare
caracteristica a
unei epruvete
inaintea fracturarii
sau falierii ( %)
< 1 1 - 5 2 - 8 5 - 10 >10
1 2 3 4 5
Fig. 3.1 Tranziţia de la comportarea casantă la comportarea ductilă (după Dinu C, ş.a – 1985)
Se remarcă astfel fracturile de extensiune caracteristice comportamentului casant (la presiuni şi temperaturi joase), faliile caracteristice comportamentului casant-ductil (la presiuni şi temperaturi intermediare), respectiv curgerea uniformă (la presiuni şi temperaturi ridicate
3
aplicate într-o perioadă lungă de timp care permit mişcările intra şi intergranulare, recristalizarea).
O influenţă importantă asupra rocilor – în special asupra celor din categoria flişului o are presiunea litostatică. Un exemplu relevant îl constituie gresiile care deşi sunt roci consolidate şi casante s-au cutat deoarece în momentul cutării se găseau în adâncime, sub o presiune considerabilă. Roci care în condiţii de suprafaţă nu prezintă deformaţii plastice, ca rezultat al creşterii presiunii litostatice pot prezenta deformări plastice remarcabile (fig. 3.2).
1
2
3
4
Cre
stere
a c
om
port
am
entu
lui d
uct
il de la
curb
a 1
la c
urb
a 4
Plit = 2.4 kba
Plit = 1.7 kba
Plit = 1.0 kba
Plit = 0.3 kba
2 4 6
1
2
4
3
Str
ess a
xia
l difere
ntial (k
ba)
Deformare axiala (%) Fig. 3.2 Curbele de stress – deformaţie pentru o gresie supusă la trepte crescătoare de presiune
corespunzătoare creşterii presiunii litostaice (după Pauliuc I. – 1985)
3.2. FISURI (tabelul 1)
Fisurile sunt suprafeţe de ruptură la care cei doi pereţi nu au avut nici o deplasare relativă sau au suferit mici deplasări pe direcţii paralele sau perpendiculare pe suprafeţele de discontinuitate.
Orientarea, frecvenţa, direcţiile preferenţiale de dezvoltare, dimensiunile fisurilor, rugozitatea pereţilor, natura şi gradul de cimentare a materialului care le colmatează determină permeabilitatea rocilor în cea mai mare măsură şi reflectă eforturile tectonice la care rocile au fost supuse în trecut.
Funcţie de geneza lor sunt cunoscute două tipuri de fisuri – de tensiune, respectiv de forfecare, care apar din acţiunea stressurilor de tensiune şi de compresiune.
În figura alăturată (fig. 3.3) se observă o trecere gradată de la starea unde eforturile de întindere sunt predominante (în apropierea suprafeţei terenului) – primele 3 cazuri – la
starea predominant compresivă (odată cu creşterea adâncimii), unde efortul lateral 3 îşi schimbă sensul (şi valoarea), ajungându-se în situaţia în care planele de forfecare fac
unghiuri de max = 450.
2 22 2 2 2
+2
2 -
= + tg
= - ( + tg )
Camp
tensionalCamp
compresional
Regiune de
instabilitate Regiune de
stabilitate
Infasuratoarea lui Mohr
Cercul lui Mohr la cedare
Punct de ruptura
Regiune de
instabilitate
1 2 3
4 5 6
21
3
4
5
6
Fig. 3.3 Evoluţia fisurilor de tensiune şi forfecare odată cu creşterea adâncimii – stressul lateral ( 3) este tensional în
cazurile 1, 2, 3 apoi compresional. Presiunea litologică ( 1) creşte treptat de la 1 la 6
Un instrument important de evaluare a poziţiei fisurilor în sistemul efort – deformaţie îl constituie elipsoidul de deformare cu axe inegale care în condiţiile aplicării unui sistem
4
triaxial de stressuri prezintă doar două secţiuni circulare (S – S’) care au diametrul egal cu cel al sferei iniţiale (fig.3.4).
C max
C max
C minC min
S S'
S S'
a a'
b
b'
c'
c
S - S' = Sectiuni circulare cu
diametrul egal cu diametrul sferei
a -a' = axa mare a elipsoidului de
deformatie
b - b' = axa medie aelipsoidului
de deformatie
c - c' = axa minima a elipsoidului
de deformatie
C m
ed
C m
ed
AXELE STRESSURILOR
PRINCIPALE
A
A'
B'
B
C'C
a
a'
b
b'
c c'
AXELE ELIPSOIDULUI
DE DEFORMATIE
Fig. 3.4 Deformarea unei sfere sub acţiunea unui sistem triaxial de stressuri
Aceste plane sunt paralele cu planele fisurilor de forfecare şi se rotesc în jurul axei (b – b’), apropiindu-se de axa după care acţionează stressul principal minim atunci când creşte stressul principal maxim.
Direcţiile eforturilor sunt bisectoarele acestor plane, fiind astfel şi axe de simetrie.
Fisurile de tensiune se dispun după axa A (maximă) a elipsoidului de deformare şi sunt de origine tectonică sau fizico-chimică. Aceste fisuri au o suprafaţă rugoasă, au deschideri relativ mari, ocolesc elementele rezistente ale rocii şi au o lungime desfăşurată mai mare decât distanţa între extremităţi. Fisurile cu origine tectonică sunt fisuri de extensie şi destindere şi fisurile de tensiune directă (fig. 3.5 a,b).
SECTIUNE NORMALA PE AXA CUTEI
FISURI DE DESTINDERE
FISURI SE EXTENSIUNE
PLANUL AXIAL AL CUTEI
A
BC
DE
F
G
H
a'
b
b'c c'
a
Plan de
stress nulStress de compresiune
Stress de tensiune
FF
Mici falii de incalecare
Fig. 3.5.a Orientarea axelor elipsoidului de deformaţie într-o cută anticlinală. Fisurile de extensiune şi fisurile de tensiune
paralele cu planele ABCD, respectiv EFGH
Fig. 3.5.b Fisuri de tensiune pe arcul exterior al unui strat supus unui stress generat de compresiune în cadrul fenomenului de
cutare Fisurile de forfecare se dezvoltă în sisteme conjugate după planele S – S’
menţionate, unde axa mică a elipsoidului de deformare este bisectoarea unghiului ascuţit făcut de planele de forfecare. Aceste fisuri sunt legate de procesele avansate de cutare şi se formează în diferite condiţii de adâncime (fig. 3.6 a, b).
b
b'
a
a'
c c'
c
a
a'
b'
b
c'
Fig. 3.6.a Orientarea fisurilor de forfecare într-o cută anticlinală când
stressul principal este perpendicular pe planul axial al cutei, iar stessul principal minim este vertical – în zona superioară a litosferei
Fig. 3.6.b Orientarea fisurilor de forfecare într-o cută anticlinală când stressurile principale se găsesc în plan orizontal
5
Fisurile de sprijin sunt asociate faliilor sau fracturilor având diverse orientări funcţie de mecanismul de formare al faliilor (fig. 3.7).
f1f2t
a
a'
c
c'
F
F
Ft
tt
f
f
f
ff
t t
F
Ff1
f2
t
f1
f2t
f1
f2t
f1
f2
t
t
t
t
t
t
t
t
t
tt
t
f1
f1
f2
f2
f2
f2
f2
f2
f2
f2
f2
f2
f1f1
f1
a
a'
c c'
a
a'
a
a'
Fig. 3.7 Mecanismul de formare a fisurilor de sprijin într-un masiv omogen litologic şi structural associate: a) unei falii normale; b) unei falii inverse; c) unei falii de decroşare (după E. Marchidanu 1983)
4. PRELUCRAREA CARTOGRAFICA ŞI INTERPRETAREA MASURATORILOR DE FISURATIE
Cele mai uzitate metode de prelucrare a măsurătorilor de fisuraţie sunt proiecţiile şi analiza statistică.
4.1. PROIECŢIA STEREOGRAFICĂ. Acest sistem de proiecţie defineşte perfect poziţia unui plan printr-un singur punct situat în interiorul sau pe cercul de proiecţie.
Principiile de proiecţie în reţeaua stereografică, în emisfera inferioară sunt prezentate în fig. 4.1.
P( )
N
S
EVA
G
F
P'
B
S
N
EVO
P''
H
Fig. 4.1 Principii de proiecţie stereografică (gnomonică)
Se menţionează că punctul vizual se găseşte în punctul B.
4.2. PROIECŢIA POLARĂ. Este cea mai uzitată şi facilă metodă de proiecţie care urmează principiile proiecţiei stereografice. Planul de proiecţie este planul ecuatorial al sferei, unde fiecărui plan de fisuraţie îi corespunde un singur punct, paralelele sunt cercuri, iar meridianele diametre (fig. 4.2).
Fig. 4.2 Reprezentarea grafică în reţeaua polară
(după E. Marchidanu – 1983)
Fig. 4.3 Reprezentarea grafică în reţeaua polară şi
trasarea izoliniilor de egală frecvenţă pentru un sistem de fisuri de tensiune(după E. Marchidanu – 1983)
În figura 4.3 este prezentată o diagramă a distribuţiei de puncte pentru fisuraţie. În urma analizei, rezultă că pentru planele reprezentate prin puncte în diagrama polară, concentrarea maximă se realizează pentru poziţii de N60 – 700E/30 – 400SE, aceste poziţii fiind predominante (indicând o anumită tendinţă spaţială). Concentrarea valorilor indică sisteme simple de fisuri care afectează o rocă competentă; dispersia valorilor indică un sistem complex (haotic) de fisuri care afectează o rocă foarte tectonizată.
4.3. DIAGRAME ÎN FORMĂ DE ROZETĂ. Sunt reprezentări simple ale elementelor geometrice ale unor strate (fig. 4.4).
6
Fig. 4.4 Diagrama rozetă pentru proiecţia direcţiei fisurilor (a), a înclinării fisurilor (b).
5. CERCETAREA „IN SITU” ŞI ÎN LABORATOR A PERMEABILITATII ROCILOR FISURATE
5.1. CURGEREA PRIN FISURI
Pentru cazul general al unei fisuri în plan înclinat ecuaţiile lui Navier – Stokes au forma:
.vz
pZ
dt
dv
;vy
pY
dt
dv
;vx
pX
dt
dv
z
2z
y
2y
x
2x
În figura alăturată se prezintă o fisură înclinată cu unghiul α faţă de planul orizontal, traversată de un foraj de injecţie (fig. 5.1).
în 00’x’: ;'sin
'x0
'00în 00’y: ;sin
y0
'00în 0yx’: ;sin
'x0
y0
în 00’y’: ;"sin'y0
'00în 00’y: ;sin
y0
'00în 0y’y: .cos
'y0
y0
Fig. 5.1 Elementele pentru calculul mişcării într-un punct M (x, y) situat la distanţa r de axa găurii
forajului de injecţie care intersectează o fisură (P) înclinată cu unghiul ( ) (după E. Marchidanu 1983)
5.1.1. Injectarea unei fisuri orizontale
Această problemă reprezintă o particularizare a problemei curgerii printr-o fisură plană. Analiza situaţiei se realizează Intr-un sistem de coordonate polar (r, z). Variaţia vitezei
se realizează în lungul unei singure axe – 0z. Ecuaţia lui Poisson capătă forma: jdz
vd2
r
2
din integrarea căreia se obţine: 2
2
0r z
4
ej
2v .
5.1.2. Distribuţia vitezei de curgere
La distanţa r de axa găurii de foraj, pe o direcţie normală pe planul axial al fisurii viteza de curgere are o distribuţie parabolică (fig. 5.2).
Viteza maximă se obţine când z = 0, iar viteza medie este maxrrmed v3
2v . Viteza
medie scade exponenţial odată cu creşterea razei (fig. 5.2).
7
Fig. 5.2 Variaţia vitezei de curgere (Vr) într-o secţiune a fisurii situată la distanţa r de axa 0z
5.1.3. Injectarea într-un mediu multiplu fisurat
Debitul total absorbit într-o fisură orizontală este:
0
0
3
0
r
rln6
ppeQ , care devine
într-un mediu afectat de „n” fisuri cu deschiderea „e0”:
3
03
0
)en(
r
rln6
pQ . În figura 5.3
debitul absorbit de o fisură cu deschiderea de 10 mm este echivalent cu debitul absorbit de 1000 de fisuri cu deschiderea de e0 = 1 mm.
Fig. 5.3 Variaţia deschiderii echivalente e0 a unei fisuri în funcţie de frecvenţa
fisurilor cu deschiderea e0 (după E. Marchidanu 1983)
5.2. PARTICULARITĂŢI ALE CURGERII PRIN FISURI O evaluare mai realistă a curgerii prin fisuri se face ţinând cont de rugozitatea acestora
care se măsoară prin coeficientul de rugozitate relativă k/Dn – k = dimensiunea asperităţii, Dn = deschiderea fisurii.
Astfel, curgerea prin fisuri se consideră irotaţională pentru k/Dn < 0,032, respectiv
rotaţională pentru k/Dn 0,032 (fig. 5.4).
curgerea este paralelă K/Dn<0,032 se formează vârtejuri – curgerea este neparalelă
K/Dn>0,032 Fig. 5.4 Reprezentarea tipurilor de curgere paralelă şi neparalelă
În aceste cazuri se impune delimitarea între regimul laminar de curgere şi cel
turbulent atât după numărul Reynolds ( 14,1
D
k
9,1845Re
n
cr ) cât şi după gradientul critic Icr
e0
2ai 2ai
K
8
= 3
2
eg
m (unde m = 13.800 pentru k/Dn < 0,032 - pereţi netezi, respectiv 11.000 pentru k/Dn
0,032 – pereţi rugoşi, ν = vâscozitatea cinematică, iar e = 2ai = deschiderea fisurii).
În figura 5.5 se observă că:
la aceeaşi deschidere a fisurii, creşterea importantă a rugozităţii duce la instalarea regimului turbulent la creşteri minore ale gradientului critic;
pentru deschideri ale fisurilor 2ai < 0,1 mm regimul laminar se menţine la gradienţi foarte mari Icr > 1.000;
fenomenul de curgere prin discontinuităţi are loc în general în regim laminar, regimul turbulent instalându-se (pentru gradienţi subunitari) la deschideri ale fisurilor 2ai > 1,2 ..... 5 mm – zone în care viteza nu mai este proporţională cu gradientul (în cazurile curente gradfienţii au valori subunitare I < 1).
Fig. 5.5 Graficul gradientului critic (Icr) funcţie de deschiderea fisurilor (2ai)
pentru diferite valori ale rugozităţii relative k/Dn (după Stematiu D. 1997)
Pentru curgerea prin fisuri netede cu k/Dn < 0,032 viteza de curgere este proporţională
cu gradientul hidraulic fiind 5,1
n
2
i
D
k8,8112
a2gv .
Pentru fisuri rugoase cu k/Dn 0,032 viteza de curgere nu este proporţională cu
gradientul, fiind: I
D
k
9,1lga2g4v
n
i .
5.3. ÎNCERCĂRI DE PERMEABILITATE ÎN ROCI FISURATE 5.3.1. Încercări „in-situ” Procedeul de bază pentru determinarea permeabilităţii rocilor îl constituie injectarea
apei sub presiune pe tronsoane de 3 – 5 m (în cazuri speciale 1,00 – 1,50 m) izolate cu packerul. Determinările se realizează în sistem descendent (de sus în jos) când roca este friabilă, respectiv ascendent (de jos în sus).
5.3.1.1. Scheme de realizare a testelor a) Cu packer simplu sau dublu şi circuit deschis (fig. 5.6);
Fig. 5.6 Măsurarea presiunii la nivelul tronsonului de încercat (după E. Marchidanu – 1983)
a) sistem clasic; b) cu aparatul Verfel
Regim laminar
Regim turbulent
a) b)
9
În fig. 5.6.b se observă că dacă se menţine ventilul deschis, se realizează o legătura directă a manometrului cu tronsonul de măsurat, evitându-se pierderile de sarcină de pe traseu. Se realizează astfel o acurateţe mai mare a măsurării presiunii.
b) Cu packer multiplu – pentru a mări acurateţea măsurătorilor (fig. 5.7)
Fig. 5.7 Încercarea de absorbţie specifică cu packer multiplu
5.3.1.2. Interpretarea rezultatelor probelor de permeabilitate „in-situ”
Măsurarea permeabilităţii se face pe criteriul capacităţii specifice de absorbţie sau
criteriul Lugeon. Astfel capacitatea specifică de absorbţie este: atm1,0ptl
Qqs =
volum de apă consumat (Q) pe un interval de lungime (l) într-un interval de timp până la
intrarea în regim staţionar ( t) la o presiune (p) măsurată în unităţi de 0,1atm.
Capacităţii specifice de absorbţie de qs = 0,01 l/m.min.0,1 atm îi corespunde valoarea
de 1 u.L. (o unitate Lugeon), respectiv de 0
6
r
Rlg101034,6K (k = permeabilitatea
măsurată în cm/s). În practică pentru raze de influenţă de 5 – 50 m şi ale forajului de 0,05 m
(uzuale), domeniul permeabilităţii este de k = 1,2 ÷ 1,8 10-5 cm/s (prin analogie cu mediu poros) – fig. 5.8.
K [cm/s]
R/r0 Fig. 5.8 Diagrama de variaţie a coeficientului de permeabilitate corespunzător unei absorbţii de apă de un
Lugeon, în funcţie de raportul dintre raza de influenţă a forajului şi raza găurii de foraj (după E. Marchidanu – 1983)
Cu ajutorul diagramelor debit-presiune se poate face o interpretare a răspunsului rocii pe parcursul probelor de permeabilitate (fig. 5.9).
Fig. 5.9 Grafice de variaţie a debitelor absorbite în funcţie de presiunea de injectare (după E. Marchidanu – 1983)
în cazul 5.9.a – apa injectată circulă prin fisuri deschise, necolmatate, roca nu suferă deformaţii;
în cazul 5.9.b – diagrama prezintă concavitate, iar debitele absorbite la diverse presiuni sunt aceleaşi pe tur ca şi pe retur. O parte din presiunea de injecţie se consumă pentru deschiderea fisurilor. Roca are un comportament elastic;
Q
p
Q Q Q
p p p
10
în cazul 5.9.c – ramura crescătoare indica o decolmatare a fisurilor, iar cea descrescătoare indică o liniaritate a absorbţiei specifică unor fisuri deschise nedeformate;
în cazul 5.9.d – fisurile suferă pe ramura crescătoare decolmatare şi deformare elastică, demonstrată prin alura concavă a ramurii descrescătoare.
5.3.2. Încercări în laborator
În laborator, permeabilitatea rocilor se măsoară uzual prin încercări de percolare convergentă – unde starea de eforturi este de compresiune, respectiv divergentă – unde starea de eforturi are semnificaţia unei tracţiuni (fig. 5.10 a, b).
Fig. 5.10 a) percolare radială divergentă (dupǎ Todorescu, A. 1984)
b) percolare radială convergentă (dupǎ Todorescu, A. 1984)
Raportul între coeficienţii de permeabilitate obţinuţi prin percolare radială divergentă la o presiune de 1 MPa, respectiv prin percolare radială convergentă la presiune de 5 MPa –
50k
1kS – dă indicaţii asupra omogenităţii şi gradului de anizotropie al rocilor (fig. 5.11).
100
-810
20 30 40 50
-710
-610
-910
Efort de tractiune Efort de compresiune
S=1 calcar solicitic
S=1.0 gnaisS=10 gnais fisurat S=2 granit compact
? p(at)
k (
cm
/s)
Fig. 5.11 Coeficientul de permeabilitate K funcţie de presiunea p (după Stematiu D. 1997)
Atunci când S > 100 Londe recomandă evitarea amplasamentelor de baraj.
La rocile neomogene caracterizate prin şistuozitate si fisuri deschise extinse, valorile „S” sunt ridicate, iar permeabilitatea din percolare convergentă scade odată cu creşterea presiunii.
6. ELEMENTE PRIVIND IMPERMEABILIZARE ROCILOR STÂNCOASE FISURATE
6.1. PARTICULE MINERALE ÎN SUSPENSII – CARACTERISTICI, INTERACŢIUNI
În cadrul sistemelor coloidale particulele se caracterizează prin suprafaţa specifică, densitatea sarcinilor electrice, difuzie.
În domeniul coloidal suprafaţa specifică a particulelor variază în general între 800m2/g (montmorillonit) şi cca. 20 m2/g (caolinit).
Particulele coloidale prezintă o suprafaţă specifică mare care creşte mult probabilitatea ciocnirilor cu moleculele de apă (activate datorită vibraţiilor termice).
Particula coloidală absoarbe energie din impulsurile mecanice şi difuzează.
6.1.1. Complexul de absorbţie – energia de hidratare
Particulele coloidale din soluţii sunt electronegative în suprafaţă şi electropozitive la capete.
Complexul de adsorbţie alcătuit din stratul de contraioni (fix, foarte aproape de peretele particulei) şi stratul difuz (ioni, dipoli de apă, aflaţi la o anumită distanţă de particulă,
11
unde capătă o anumită mobilitate) ajută la menţinerea în suspensie a particulelor şi a cationilor.
În general sensul de descreştere a grosimii învelişului de apă adsorbită este următorul: Li+ > Na+ > Ca++ > Ba++ > Mg++ > Al+++ > Fe++ > H+ > K+ > NH4
+. Cu cât valenţa ionilor este mai mică cu atât numărul cationilor ce saturează câmpul electrostatic al particulei este mai mic, deci grosimea complexului de adsorbţie este mai mare.
Argilele cu complex sodic prezintă coeziunea mai ridicată, respectiv permeabilitatea mai scăzută decât cele cu complex calcic datorită grosimii mai mari a complexului de adsorbţie (fig. 6.1).
Fig. 6.1 Structura pământului cu complexe de adsorbţie diferite
6.1.2. Capacitatea de schimb
Cu cât valenţa cationului din soluţie este mai mare, cu atât puterea sa de înlocuire a cationului din complexul de adsorbţie este mai mare (fig. 6.2).
Fig. 6.2. Explicarea schimbului cationic preferenţial într-o soluţie
În general se admite următoarea ordine de schimb: H+ > Ca++ > Mg++ > K+ > Na+ > Li+.
6.1.3. Interacţiuni între particule
Între particulele care prezintă complex de adsorbţie se manifestă forţe van der Waals.
Rezultanta forţelor de atracţie şi respingere se reprezintă în figura 6.3.
Fig. 6.3 Forţele ce se exercită asupra particulelor în timpul sedimentării (dupǎ Stanciu Anghel 2002)
În punctul A se realizează o legătură puternică între particule (contact mecanic) care generează un echilibru stabil corespunzător legăturilor de hidrogen. În punctul B – echilibrul este metastabil – tixotropic. Zona C controlează fenomenele de dispersie apărute prin reducerea stratului difuz. Modificări exterioare pot duce la colapsul stratului dublu electric. Odată cu creşterea concentraţiei în electroliţi, forţele de respingere scad – pentru o distanţă dată între particule.
6.2. VÂSCOZITATEA SUSPENSIILOR
În lichidul vâscos cuprins între două plăci paralele şi rigide una fixă şi una mobilă, sub acţiunea forţei F, se produce o curgere paralelă vâscoasă (fig. 6.4).
12
Fig. 6.4 Schema forţelor curgerii laminare plane
(dupǎ Flegont Gh. 2002) Fig. 6.5 Curbe reologice (dupǎ Flegont Gh. 2002)
Efortul de forfecare este proporţional cu gradientul vitezei: dy
dv.
Funcţie de relaţia dintre viteza de curgere şi efortul unitar suspensiile sunt newtoniene (când relaţia este liniară) sau binghamiene pentru care în anumite cazuri este necesară
iniţierea curgerii şi care prezintă o coeziune ( i = c + pl i unde pl = coeficient de
viscozitate plastică, iar i = d /dt = dv/dy) – fig. 6.5.
Conform tezelor lui Lombardi comportarea suspensiilor este definită prin – viscozitate, coeziune, rezistenţă la forfecare, greutate specifică, dimensiunea granulei cimentului, caracterul curgerii (laminar sau turbulent), rugozitatea pereţilor.
La curgerea corpurilor binghamiene există în miezul conductei o zonă cu
caracteristică rigidă a cărei extindere maximă (e r) provoacă extruziune în cazul pereţilor netezi (fig. 6.6).
Fig. 6.6 Profile de viteze de curgere vâscoasă şi vâscoplastică într-o conductă circulară (dupǎ Flegont Gh. 2002)
6.3. SUSPENSII – CARACTERISTICI DE UTILIZARE, PROPRIETĂŢI, MATERIALE, REŢETE UZUALE
6.3.1. Suspensii instabile – sunt corpuri bifazice newtoniene cu o viscozitate diferită
de cea a apei inst = a(1 + 4,5 C/A), cele mai cunoscute fiind cele constituite din ciment – apă.
Cimenturile folosite frecvent sunt de tip Portland cu reziduul sub 12 % (rămas pe sita cu 4900 ochiuri/cm2) – fig. 6.7.
Fig. 6.7 Suprafaţa reologică a unui corp Bingham cu frecare
internă (unghiul φ) Fig. 6.8 Vâscozitatea suspensiei de ciment în dependenţă
de factorul a/c şi suprafaţa specifică a granulelor de ciment (după Băncilă I. 1980)
Suspensiile se pot prepara în diluţii foarte variate cu raportul ciment/apă cuprins între 1/0,5 ÷ 1/12.
13
Particulele prezintă o suprafaţă specifică Blaine cuprinsă între 2500 – 3500 cm2/g, în apă îşi măresc volumul cu 15 – 20 % şi nu pătrund în fisuri cu deschideri mai mici de 0,20 mm.
În suspensia preparată prin agitare simplă particulele de ciment prezintă o tendinţă de floculare – mărindu-se vâscozitatea suspensiei. Vâscozitatea creşte odată cu creşterea suprafeţei specifice a particulelor, respectiv raportul a/c - fig. 6.8.
Există cimenturi speciale (Mikrodur) cu dimensiuni maxime ale granulelor cuprinse
între 10 – 40 şi suprafeţe specifice de 6500 – 7500 cm2/g. Suspensiile instabile nu rambleiază uniform fisurile, nu pătrund adânc în acestea datorită segregării şi procesului de autocolmatare (fig. 6.9).
eo
Vr med.ro
v
Diagrama vitezei de curgere în
sectiune normala pe planul fisurii
g
g
g
a)
b)
c)
d)
Fig. 6.9 Rambleierea fisurilor în timpul injectării suspensiilor (după E. Marchidanu, 1983)
6.3.2. Suspensiile stabile sunt corpuri bifazice binghamiene – tixotropice pentru care
este necesară iniţierea curgerii (la un efort l2
prr - unde r = deschiderea fisurii, l =
lungimea fisurii, p = h ), prezintă un conţinut ridicat de particule coloidale, proprietăţi de dispersie, injectabilitate ridicata.
Suspensiile stabile sunt suspensii pe bază de ciment, argilă, ciment – argilă, etc.
6.3.2.1. Prin activare chiar la raporturi C/A reduse, diferite suspensii de ciment – apă devin stabile. Se practică astfel – activarea chimică cu substanţe peptizante, fluidifiante care asigură dispersia particulelor cu substanţe organice macromoleculare polare care încarcă cu gruparea hidrofobă particula de ciment cu sarcini negative, de tipul lignosulfonatului de calciu, ligninei, naftenatulului de sodiu, în proporţie de 0,05 – 3 %.
Activarea mecanică şi cea hidraulică prin „puşcă”, respectiv proiectare violentă cu jet în incinte „etanşe”, provoacă scăderea vâscozităţii şi creşterea stabilităţii datorită forfecării violente şi trecerii în stare coloidală a peliculelor de hidratare de pe suprafeţele particulelor de ciment.
Activarea termică duce la creşterea vitezei de hidratare a cimentului. Hidraţii insolubili crează coloizi prin acţiune mecanică uşoară (desprinderea de pe particulă).
14
6.3.2.2. Suspensii de ciment sau de argilă cu adaosuri de argilă
Acţiunea peptizantă, dispersia, stabilitatea în soluţie a argilelor sunt date de proprietăţile lor specifice. În practica inginerească de injecţii se utilizează argilele bentonitice care provin din alterarea unor roci bazice şi intermediare într-un mediu bazic. Structura pachetului de bază (celula) a montmorillonitului este de tip tetraedru – octaedru – tetraedru (T – O – T), realizată prin legături covalente şi de hidrogen în interiorul celulei, respectiv de tip van der waals între celule (în bazele „T” radicalii [O] sunt compensaţi).
Datorită mediului bazic pachetul de montmorillonit este electronegativ (frecvente substituiri de Si+4 cu Al+3 în tetraedrii, respectiv a Al+3 cu Mg+2 în octaedrii). În spaţiul dintre pachetele slab legate sunt absorbite molecule de apă, cationi de tipul Na+, K+, Ca2+, distanţa între pachete mărindu-se astfel (umflare) – fig. 6.10.
> 1
8,6
A -
19.6
A
9,6
A in s
tare
uscata
Si
Al
[O ] - 2 [OH
-] [O ] - 2
[O ] - 2
[O ] - 2
[O ] - 2
[O ] - 2 [O ] - 2 [O ] - 2
[O ] - 2 [O ] - 2 [O ] - 2
Legatura covalenta
Legatura de hidrogen si covalenta
Legatura Van der Waals
Oxigeni relativ
echilibrati electrostatic - (saturati)Legatura Van der Waals
Si
Na +
Na +
Na + Na
+
Na +
Mg
Al
Al+4 +3
+2+3
+4 +3
Sarcini electronegative necompensate
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si SiSi
Al
Al
+4+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+3
+3
[OH]
[OH]
Na +
Na +
Na + Na
+
Na +
Na +Na
+ Ca2 +
Ca2 +
Ca2 +
Ca2 +
Cationi hidratati
+ -
+ - + -
+ - + -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ - + -
+ - + - + -
+ -
+ -
Forte de respingere
Forte de respingere
Forte de respingere
Forte de respingere
Dipoli de apa
(Intercristalina +
osmotica)
(Intercristalina +
osmotica)
(Intercristalina +
osmotica)
(Intercristalina +
osmotica)
Ca2 +
Ca2 +
predominant montmorillonit calcicCa2 +
Na +
predominant montmorillonit sodic
Fig. 6.10 Structura montmorillonitului în spaţiu (a) şi schematică ( b) cu explicaţia electronegativităţii prin substituirea unor cationi în cadrul reţelei mineralului şi a hidratării în soluţii ionice
Cele mai eficace argile în suspensii sunt bentonitele sodice (formate pe bază de montmorillonit cu conţinut în spaţiul interstiţial de Na+ care provoacă atât umflare intercristaline – precum Ca2+ din bentonitele calcice – cât şi umflarea osmotică prin crearea stratelor duble electrice care se resping reciproc).
Cea mai importantă proprietate a bentonitei este tixotropia – transformarea suspensiei din fluid în gel şi invers (fig. 6.11).
Fig. 6.11 Relaţia debit – presiune în cazul curgerii fluidelor
newtoniene şi binghamiene (după E. Marghidanu, 1983) Fig. 6.12. Variaţia vâscozităţii suspensiilor
preparate cu diverse tipuri de argile (după E. Marchidanu, 1983)
În figura 6.11 – pi este presiunea de iniţiere a curgerii pentru fluid binghamian, iar pit este presiunea de rupere a gelaţiei, care odată realizată conduce la creşterea debitelor chiar dacă presiunea scade. Funcţie de modificarea presiunii „pm” debitul creşte sau scade ducând la refacerea gelului.
În punctul „D” toate legăturile tixotropice au fost rupte – fluidul devine binghamian.
Vâscozitatea suspensiilor argiloase variază funcţie de conţinutul în montmorillonit (fig. 6.12) şi de variaţia presiunii de injectare.
15
În discontinuităţile cu pereţii acoperiţi cu argilă suspensiile au aderenţă mai mare. Suspensiile cu conţinut de bentonită prezintă o dispersie şi o stabilitate remarcabile (3 – 5 % bentonită sunt suficiente pentru a stabiliza o suspensie C/A = 1 : 0,5 ÷ 1 : 5).
6.3.3. Reţete şi metode de injectare uzuale
a) – prin variaţia pe parcursul injectării a raportului C/A a suspensiei:
C/A Durata de injectare
(min) Cantităţi max. kg/ml Măsuri tehnologice
1/10 30 10 Injectarea încetează la refuz sau
durează maxim 30 min
1/5 30 25 Idem
1/3 45 50 Idem durează 45 min
1/2 60 80 Idem durează 60 min
1/1 60-120 100 Se injectează max. 100 kg/ml
1/0,8 60-120 100 Idem
1/0,6 60-120 100 După injectarea a 100 kg/ml se
reduce presiunea cu 10 atm
1/0,4 60-120 200 După injectarea a 200 kg/ml se
reduce presiunea cu 2H/10
1/5 20-30 - Se injectează până la refuz
b) – prin menţinerea aproape constantă a raportului C/A şi variaţia conţinutului de bentonită astfel:
Materialul sau caracteristica
U.M. A B C
Ciment Kg 425 423 420
Apă L 850 848 846
Bentonită Kg 30 40 50
Densitate L 1,30 1,31 1,32
Vâscozitate Marsh sec. 35 40 50
Decantare % 3 2 1
Rezistenţa la 28 zile MPa 1,4 1,3 1,2
c) – prin limitarea presiunii (pentru fisuri foarte fine), respectiv a volumului de suspensie (pentru fisuri deschise) – metoda GIN (Grouting Intensity Number). Curbele limită din metoda GIN (corespunzătoare unei anumite intensităţi a injectării exprimate prin produsul
p v sunt alese ca reper pentru injectare astfel încât domeniile pentru fiecare etapă de injectare să poată fi reprezentate (fig. 6.13).
Fig. 6.13. Traseele curbelor de injectare şi rezultatele injectării într-o perdea de injecţii (după Flegont Gh. 2002)
Fig. 6.14 Curgerea într-o fisură plană interceptată de forajul de studii şi
afectată de presiunea P (după Stematiu D. 1997)
6.3.4. Influenţa presiunii în procesul de injectare
a) Prin asimilare cu încercările de compresiune „in-situ”, cu placa circulară, considerându-se comportamentul elastic al rocii şi presiunea „p” aplicată uniform pe o zonă
de rază R, deschiderea suplimentară a fisurii ( e) va fi: RPE
14e
2
unde E =
modulul de elasticitate, = coeficientul lui Poisson, R = raza de influenţă (fig. 6.14).
16
Debitul infiltrat va deveni astfel proporţional cu puterea a patra a presiunii
4
32
d
3
d
pCqpRE
14p
r
Rln6
ep
r
Rln6
q unde C este un coeficient
de proporţionalitate dependent de natura rocii şi de diametrul forajului. Se admite că e + e
e.
b) După Londe, sinaE
1
E
1e
r
sau E
sine unde E = modulul de
elasticitate al masivului, Er = modulul matricei, a = distanţa între fisuri, = unghiul dintre direcţia
efortului şi cea a fisurii. La o creştere a sarcinii în baraj = 5 MPa, cu moduli de E = 5000 MPa, Er = 50.000 MPa, distanţa dintre fisuri a = 1 m rezultă că fisurile largi, înclinate cu cca. 300 faţă de verticală se deschid cu cca. 0,45 mm, iar cele fine cu deschideri sub 0,1 mm se închid total.
Într-un tronson în care fisurile au deschideri diferite, sub acţiunea fluidelor injectate se transmite presiune asupra fisurilor fine prin intermediul celor largi (fig. 6.15).
2t1
2t2
1/2.F1
1/2.F2
1
2
p
p1 p2
p0
2t1 <2t2
F1<F2
R
Fig. 6.15 Situaţii care apar la injectarea discontinuităţilor cu dimensiuni diferite. Distribuţia presiunilor şi a forţelor într-un sistem format din două fisuri (dupǎ Flegont Gh. 2002)
c) Între forajele de injecţii terenul suferă o precomprimare (fig. 6.16).
Fig. 6.16 Efectul injectărilor sub presiune – precomprimarea rocii a) Precomprimarea rocii la injecţiile din subteran (impermeabilizare sau consolidare); b) Precomprimarea rocii
între forajele de injecţii în spatele cămăşuielii galeriilor sub presiune (după Băncilă I. ş.a. 1980)
Presiunea admisibilă de injectare poate fi adoptată după modelul fizic al exploziei sub suprafaţa plană – echivalentă cu sarcina indusă de conul invers format la unghiuri ale
generatoarei de 900 - /2 (fig. 6.17).
17
Fig. 6.17. Conul de rocă (trunchiul de con) supus presiunii de injectare; ri = raza injecţiei; φ = unghiul minim de frecare pe feţele de fisuri (după Băncilă I. ş.a. 1980)
ii
2
i
2
i2
i
max rRrRr
h
3P , iar funcţie de raportul deformaţiilor
1hPmax ( =
greutatea volumică; ν = coeficientul lui Poisson).
Variaţia presiunii de injectare în lungul unui foraj ţinând cont de sarcina geologică şi capacitatea specifică de absorbţie se realizează astfel (fig. 6.18):
Fig. 6.18. Stabilirea presiunii de injectare funcţie de capacitatea specifică de absorbţie şi de adâncimea
tronsonului (după prof. dr. ing. E. Marchidanu, 1983)
7. ELEMENTE DE HIDROGEOLOGIE ŞI IMPERMEABILIZAREA PENTRU UNELE BARAJE DIN ROMÂNIA SITUATE ÎN ZONA FLIŞULUI CARPATIC
7.1. BARAJUL POIANA UZULUI – este situat pe cursul inferior al r. Uz, este executat din contraforţi ciupercă (33 de elemente) şi are cca. 80 m înălţime şi o lungime la coronament de 500 m.
7.1.1. Din punct de vedere geologic în ampriza barajului se întâlneşte gresia de Tarcău, de vârstă Eocen (flişul extern) – rocă masivă şi fisurată care se dezvoltă în bancuri cu grosimi medii de 0,50 – 2,00 m (fig. 7.1).
7.1.2. Din punct de vedere tectonic la nivel regional se întâlnesc cute sinclinale şi anticlinale uşor deversate către est.
Stratele au direcţii oblice faţă de r. Uz şi înclină către aval şi malul stâng (N55 – 600V/25 – 300NE).
Faliile apar atât în ampriza barajului cât şi în versanţi având orientări V – E sau NE – SV şi delimitări în compartimente (căzute în trepte de la N la S).
În deschiderea faliei (0,50 – 1,00 m grosime) se găsesc fragmente de gresie, rezultate prin zdrobire, în matrice argiloasă, care reprezintă breccia de falie. Aceasta conferă un caracter de ecran impermeabil anumitor zone (faliile din plotul 18, 21 – 25, 27 – 28). Versantul stâng este mai tectonizat decât dreptul.
Fig. 7.1 Harta geologică a zonei de acumulare: I – anticlinoriu Poiana Uzului; 1 – Cretacic inferior (şisturi negre); 2 - strate de Cârnu-Siclău; 3 – 3’ = Cretacic superior (strate de Horganzu – strate de Hangu); II – Paleogen median; 4 – orizontul bazal al gresiei de Tarcău; 5 – gresia de Tarcău (Eocen inferior + mediu); III – flancul vestic al Depresiunii Comăneşti: 6 – Sarmaţian + Meoţian; f – falii; t – terase; C – conuri de dejecţie;a – alunecări; b – barajul; l – nivelul
maxim al apelor în lac; d – drumul de ocolire (dupǎ Bǎncilǎ I. 1989)
Fig. 7.2 Zonarea presiunilor şi a consumurilor de ciment în şirurile I - II
18
7.1.3. Din punct de vedere microtectonic gresiile sunt afectate de reţele de fisuri atât de origine tectonică (de tensiune şi de forfecare) cât şi de origine fizico-chimică (diaclaze de calcit cu orientare paralelă sau oblică pe stratificaţie).
Fisurile au deschideri de la nivelul submilimetric la 10 – 20 mm. În zona de alteraţie (cca. 10 m adâncime) fisurile sunt umplute cu argilă sau calcit în diaclaze. Sub 15 – 20 m adâncime fisurile prezintă tendinţă de deschidere.
7.1.4. Încercări hidraulice şi injecţii
Impermeabilizarea rocii s-a realizat prin trei şiruri de injecţii (distanţate amonte – aval la cca. 1,5 m) urmate de două ecrane complementare. Forajele s-au executat în trei etape cu adâncimi de 65 m (etapa I), 55 m (etapa II), 40 m (etapa III). Forajele de etapa I au 10 m distanţă între ele. Forajele s-au executat pe tronsoane de 5 – 6 m ascendent (cu excepţia zonei de alteraţie 0 – 10 m). Presiunile de injectare din cuprinsul voalului de etanşare au fost în general de 10 – 20 atm (5 atm în zona de alteraţie) atingând rar 25 atm (fig. 7.2).
În tabelul alăturat se prezintă date despre injectarea rocii între ploturile 8 – 28.
Zona ploturi
Capacitatea specifică de absorbţie -
qs=l/m min 0,1atm
Consumul mediu de ciment A = kg/ml
Presiunea realizată p
= atm Comentarii
8 – 10 > 0,02 270 10 – 20 Zonă aparent compactă, slab
tectonizată
11 – 14 0,03 – 0,1 (în medie)
cu maxime de 0,3 – 0,6 595 5 – 10
Zonă afectată de prezenţa unui grup de falii, flexuri şi fisuri deschise.
Resurgenţe frecvente la 10 – 30 m distanţă.
15 – 20 0,01 – 0,03 (în medie) cu maxime de 0,03 –
0,05 500 10 – 15
Falie importantă – rostul P18 – P19 însoţită de zone de zdrobire
semietanşe.
21 – 25
0,03 – 0,05 la partea superioară a voalului şi 0,01 – 0,03 la partea
inferioară
340 10 – 15 Falii în reţea cu zone de zdrobire semietanşe; circulaţia fluidelor se
face pe trasee atipice.
26 - 28
> 0,05 până la 30 – 40
m; sub 30 – 40 m 0,01
340 10 - 15 Falie importantă în plotul P28.
tectonizare intensă.
Pentru injectarea fisurilor s-au consumat în special suspensii de consistenţă A/C = 1/1 ÷ 1/0,8 (consum mediu A = 250 – 350 kg/ml) – cca. 65 % din consumuri.
Consumurile cele mai ridicate de ciment s-au înregistrat pe tronsoanele de adâncime
0 – 20 m unde s-au înregistrat în general absorbţii specifice de 0,05 – 0,15 l/m min 0,1atm (fig. 7.3).
0.8/1
2 1
1 1
1.5 1
0
3 1
5 1
10 1
0 50 100 150 200 250Cs(kg ml foraj)
C =
A C
i=10 1
i = 0.8 1400 kg ml forajCS =
Diagrama absorbţiei specifice de apă – consum de ciment Curba tendinţei la refuz a rocii la injectarea cu ciment (după Crăciun F. 1971)
7.1.5. Evenimente. În anul 1984 au existat infiltraţii în zona versantului drept aval şi o deschidere a rostului beton-rocă (în zona ploturilor P6 – P70). S-a constatat că subpresiunile din zona amonte a barajului duc la deschiderea rosturilor şi fisurilor în condiţiile unei perdele de etanşare de 50 m adâncime, a înfundării drenurilor şi al efectului de compresiune al rocii din aval.
19
Vitezele admisibile de infiltraţii prin fisuri cu deschideri de 3 mm (frecvente) variază între 50 cm/s pentru argilă, respectiv 8 cm/s pentru nisip argilos.
Colmatarea drenurilor cu calcit sugerează faptul că la peste 15 – 30 m adâncime (unde se subţiază voalul de etanşare) este posibilă decalcifierea acesteia. Acest fenomen este intens în primii ani după punerea sub sarcină, fiind dependent de condiţiile de presiune, temperatură (concentraţia de CO2 creşte în adâncime, cu scăderea temperaturii) şi de mineralizarea (slabă) a apelor vadoase. Efectul de contracţie al betoanelor şi blocurilor de rocă şi înclinarea unor plane de fisuraţie la unghiuri de sub 300 faţă de verticală conduce la deschiderea suplimentară a fisurilor inclusiv creşterea permeabilităţii.
7.2. BARAJUL PALTINU (pe r. Doftana şi afluenţii Secăria, Păltinoasa) este un baraj de beton, în arc, cu rost perimetral, cu dublă curbură. Înălţimea maximă este de 108 m, pentru o lungime la coronament de 460 m.
7.2.1. În ampriza barajului se întâlnesc roci ale flişului de vârstă Cretacic (Albian – Senonian) reprezentate în principal prin gresii (masive, curbicorticale sau în plăci) alături sau în alternanţă cu şisturi argiloase marnoase. În subsidiar se întâlnesc microconglomerate şi brecciile faliilor (fig. 7.4).
Fig. 7.4 Profil geologic longitudinal (după Băncilă I. 1989)
1 – linia terenului natural; 2 – terasă; 3 – aluviuni recente; 4 – linia rocii de bază; I – gresii metrice; II – şisturi argiloase grezoase; III – gresii în plăci; IV – şisturi argiloase; V – breccii pe falii; A – adâncimea de fundare; S – soclu; R – rost
perimetral; P – aripa parabolică; cl – culei; Ge – galerie de evacuare; Gd – galerii pentru drenaj; 1 – 35 - ploturi
7.2.2. Ampriza barajului este traversată de un sistem de falii principale şi secundare, perpendiculare (F0, F1, F2, F4, F5) sau oblice pe vale care fragmentează structura de rocă în blocuri (fig. 7.5).
Fig. 7.5 Plan de situaţie geologică. A – gresii metrice; B – alternanţă de gresii şi şisturi argiloase grezoase; C – şisturi
argiloase; D – breccii; F – falii (după Băncilă I. 1989)
7.2.3. Din punct de vedere microtectonic se observă o relativă omogenitate a poziţiilor stratificaţiei în cei doi versanţi (N50 – 600E/45 – 550NV).
Fisurile au deschideri de 10 – 12 mm, sunt umplute cu material argilos antrenabil la gradienţi hidraulici reduşi, se dezvoltă până la limita zonei de alteraţie (10 – 12 m) cu
20
tendinţa de închidere în adâncime (20 – 25 m). există o mare dispersie a poziţiei planelor de fisuraţie, aceste grupându-se totuşi în două intervale N5 – 100V/60 – 800NE, respectiv N20 – 400V/45 – 600SV (fig. 7.6 – din arhiva Aquaproiect).
În urma cartărilor s-au putut face corelaţii între grosimea stratelor şi distanţa
dominantă dintre fisuri (fig. 7.7 – din arhiva Aquaproiect).
7.2.4. În urma efectuării probelor de permeabilitate în foraje de 100 – 105 m
adâncime s-au înregistrat în general absorbţii de qs = 0,02 – 0,08 l/m min 0,1atm cu o dispersie mare în suprafaţă şi adâncime. Absorbţiile cele mai ridicate s-au înregistrat în versantul stâng, zona ploturilor 17 – 18, zonă traversată de falii, foarte tectonizată cu prezenţa densă de gresii în strate centimetrice foarte fisurate.
Comunicarea apei pe fisuri s-a resimţit şi la 40 – 50 m adâncime.
Etanşarea s-a realizat prin injecţii din foraje aşezate pe 2 şiruri cu adâncimi de 30 m (versanţi) – 55 m (în albie).
Reţetele folosite au fost de C/A = 1/10 – 1/0,8 injectate la presiuni maxime de 20 atm la 50 – 55 m adâncime.
Consumul mediu de ciment a fost de 52 kg/ml. la forajele de control 65 % din tronsoane au înregistrat absorbţii de qs < 1 u.L.
7.1.5. Evenimente. În iunie 1974 s-au constatat creşteri bruşte ale infiltraţiilor şi deformarea spre aval a rocii din fundaţie în sectorul ploturilor 17 – 26. Cauzele evenimentului ţin de – orientarea planurilor de stratificaţie, pe direcţia amonte – aval, fisuraţia rocilor; creşterea subpresiunilor din cauza apariţiei unui prism delimitat de faliile F3, F2, F1 şi voalul de etanşare, lipsa de masă de rocă din versantul stâng; labilitatea zonelor cu breccie de falie;
deschiderea suplimentară a fisurilor la creşterea nivelului apei în lac (Q C H10).
S-au realizat noi cercetări prin teste de permeabilitate din foraje şi teste de verificare a traseelor de infiltraţie cu trasori radioactivi. S-a constata astfel că absorbţia de apă până la 45 m adâncime atinge valori de 50 – 225 u.L. în gresii masive fisurate, respectiv 1 – 50 u.L. în zonele cu gresii compacte, şisturi argilo-marnoase. Comunicarea între forajele de control
Fig. 7.8. Harta geologică a acumulării Siriu: E1-2 – Eocen inferior şi mediu; E3 – Eocen superior; Ol – Oligocen; f – falii; t – terase; a – alunecări; c – conuri de dejecţie; FM – Falia Monteoru; FC – Falia Caşoca; FB – Falia Bonţu; FS – Falia Siriu
(dupǎ Marchidanu E. 1998)
Fig. 7.9. Secţiunea geologică prin axa barajului: 1 – gresie; 2 – şisturi argiloase; 3 – falii; 4 – coronament; voalul de injecţii; 6 – galerii; 7 – nivelul de fundare a prismului de rezistenţă; 8 – galerii de injecţii; 9 – canalul de deviere, faza I-a; 10 – descărcătorul de ape mari; 11 – linia terenului natural; 12 – aluviuni
(dupǎ Bǎncilǎ I. 1989)
21
s-a realizat la nivelul rostului beton – rocă şi între forajele din amonte şi aval, la diferite adâncimi s-au dispus astfel măsuri de punere în siguranţă care a constat din:
injecţii de etanşare – refacere – voal de etanşare în zona ploturilor 15 – 16 (bază versant stâng), unde s-au folosit reţete A/C = 1 : 3 ÷ 1 : 0,5 cu adaosuri de bentonită (2 – 4%), silicat de sodiu (1,3 – 3 %), Dissan, realizate la presiuni de injectare de 7 – 20 atm pentru adâncimi maxime de 50 m;
consolidarea faliei F1 în zona ploturilor 14 – 18 prin foraje dispuse pe 3 şiruri, înclinate către falie, cu adâncimi de 10 – 20 m, respectiv 45 m;
refacerea voalului de etanşare s-a realizat în zona ploturilor 17 – 29 prin foraje de 25 – 80 m adâncime, realizate pe câte două şiruri atât din galeria perimetrală cât şi din berma amonte, înclinate către amonte pentru mărirea grosimii voalului existent.
Injecţiile s-au realizat la consistenţe A/C = 1 : 2 cu adaosuri de bentonită (3 %), respectiv silicat de sodiu (9 %).
În forajele de control s-au înregistrat absorbţii de qs = 0,6 – 2 u.L., zona considerându-se etanşată.
7.3. BARAJUL SIRIU este un baraj din materiale locale de 122 m înălţime cu o lungime la coronament de 570 m.
7.3.1. Roca de bază din ampriza barajului aparţine flişului extern – pânzei de Audia, fiind reprezentată prin roci de vârstă paleogenă – Eocen şi Oligocen şi anume gresii calcaroase fine sau grosiere în strate decimetrice – metrice (gresia de Tarcău), gresii în plăci, respectiv şisturi argiloase marnoase cu intercalaţii de gresii fine în strate centimetrice (fig. 7.8, 7.9).
7.3.2. Din punct de vedere tectonic zona acumulării este marcată atât de fenomene plicative – anticlinale, sinclinale, cute solzi – ex. anticlinalul Balabanu pe al cărui flanc estic se găseşte barajul - cât şi disjunctive – fracturi, falii – falia Monteoru orientată transversal pe valea Siriu, înclinată către amonte (în amonte de baraj), falia Caşoca – în aval de baraj – înclinată către amonte (în aval de baraj), falia Siriu (însoţită de fracturi cu emergenţe sulfuroase), falia canalului rapid (orientată N – S).
În versantul stâng se dezvoltă cu precădere gresii calcaroase (70 %) pe când în cel drept predomină şisturile argiloase marnoase (85 %).
7.3.3. Stratele prezintă poziţii predominante N25 – 350E/65 – 750SE înclinările mai ridicate (70 – 800) înregistrându-se între v. Pascului şi axul barajului. Fisuraţia prezintă un grad de dispersie mai ridicat cu reţele de fisuri perpendiculare pe stratificaţie (fig. 7.10).
Fig. 7.10 Reprezentarea în proiecţie polară a poziţiei structurale a stratificaţiei şi fisuraţiei
rocilor din versantul stâng: a – diagrama polară
(după E. Marchidanu, 1998)
S-au stabilit de asemenea corelaţii între grosimea stratelor, distanţa între fisuri şi frecvenţa acestora (fig. 7.11).
22
Fig. 7.11 – Domeniile de variaţie a distanţei dintre fisuri în funcţie de grosimile stratelor
(după E. Marchidanu, 1998)
7.3.4. Voalul de etanşare executat iniţial (1975 – 1989) a fost completat în perioada 1993 – 1994 (după apariţia infiltraţiilor din galeriile G3 şi G4 din 1992 – la ridicarea nivelului în lac) cu foraje pe 2 şiruri (ploturile 23 – 26), un singur şir (ploturile 18 – 27) şi prin extindere în versantul stâng – zona DN 10. forajele au avut adâncimi cuprinse între 40 – 50 m ÷ 80 – 100 m. Cele mai ridicate valori ale absorbţiei specifice s-au înregistrat pentru fisurile cu deschideri de 2 – 3 m – qs = 100 – 500 u.L., iar cele mai reduse pentru fisurile cu deschideri sub 1 mm – qs = 1 – 10 u.L.
Pentru injecţii s-au folosit suspensii instabile (qs > 10 u.L.) – reţete C/A = 1/10 – 1/3, respectiv A, B, C, D) qs > 10 u.L.
Materialul Suspensie tip (kg) Timp
malaxare (min)
Malaxor A B C D
Apă 380 335 35 260 - Nr. 1
Bentonită 10 10 10 15 2 Nr. 1
Silicat 12 20 20 20
+Apă 10 20 20 20 0,2 Nr. 2
Clorură de Ca - 9 - -
+Apă - 30 - - 0,1 Nr. 2
Carbonat de Na - - 5 5
+Apă 15 15 0,1 Nr. 2
Ciment 325 320 375 590 3 Nr. 2
Caracteristica Reţeta
A B C D E
Vâscozitatea (sec) 30 35 45 50 75-80
Decantarea (%) 3 2 1 0,5 0,5
Gelaţia (min) 120 60 25 15 15
Rezistenţa la compresiune după 28 zile (MPa)
1,5 1,5 1,5 2,0 -
Coeziunea relativă (mm) 0,1 0,17 0,25 0,35 0,35
Greutatea volumică (t/m3) 1,48 1,49 1,55 1,80 2,00
S-au înregistrat frecvent consumuri de ciment peste 2000 kg/ml, cca. 30 % din valori concentrându-se în intervalul 250 – 500 kg/ml, iar cca. 20 % depăşind 500 kg/ml (fig. 7.12).
8. CONTRIBUTII ŞTIINŢIFICE LA STUDIEREA ROCII DE FUNDARE ÎN AMPLASAMENTUL BARAJULUI AZUGA (ÎN ZONA FLIŞULUI)
Pentru alimentarea cu apă a localităţilor de pe v. Prahovei s-a propus executarea unui baraj pe v. Azuga (de-a lungul timpului s-au studiat mai multe variante – V. Cerbului, V. Azuga km 3+300, 6+600, etc.) de cca. 70 m înălţime.
8.1. Roca de bază în amplasamentele studiate este reprezentată printr-o alternanţă ritmică de şisturi argiloase şi grezoase cu calcare grezoase, marnocalcare, gresii de vârstă Tithonic terminal – Barremian inferior.
Aceste roci aparţin flişului Carpatic – pânza de Ceahlău, fiind cunoscute ca „Strate de Sinaia”.
În general, pe v. Azuga domină rocile relativ competente – calcare, gresii, marnocalcare (60 %) care nu au continuitate, secvenţa ritmică având grosimi de 0,50 – 0,60 m.
Fig. 8.1. Hartă geologică
23
Datorită neomogenităţii litologice s-au realizat studii complexe din punct de vedere mineralogic, microtectonic, fizico-mecanic, hidrogeologic.
8.2. Consideraţii mineralogice
Rocile care constituie secvenţele litologice prezente pe v. Azuga sunt de natură sedimentară având componenţi alogeni (al) şi autigeni (at) prezenţi într-un liant:
Tip petrografic Component mineralogic de bază (%)
Feldspat Cuarţ Calcit Minerale argiloase Hidroxizi, pirită,
mangan Liant
Calcar 2 10 80 6 2 -
Gresie 10 28 38 18 6 Carbonatic
Marnocalcar 9 13 56 17 (3 % materie
organică) 5
Prezintă materie organică
Marnă 9 24 40 22 5 Au clorit
Şisturi argiloase marnoase
4 22 7 60 7 Prezintă materie
organică
La microscop au fost studiate şi diaclazele de calcit – importante ca indicatori microtectonici. Diaclazele s-au format în urma proceselor de flexionare cu alunecare şi chiar forfecare la care au fost supuse pachetele de roci; creşterea cristalelor se realizează dinspre pereţii diaclazei spre interior, la fel dimensiunea acestora.
Studiul microscopic a stabilit de asemenea gradul de anizotropie al rocilor din zonă, unde cele mai ridicate valori (a = 0,5 – 0,9) s-au înregistrat pentru şisturi argiloase.
8.3. Condiţii tectonice şi microtectonice
Zona cercetată aparţine miezului anticlinoriului Zamora, cu axul orientat aproximativ NV – SE. Structura geologică a fost solicitată la eforturi tectonice importante de-a lungul timpului fiind brăzdată de falii normale şi inverse, încălecări, decroşări, etc. ceea ce a condus la fragmentarea sa în blocuri (fig. 8.1).
În amplasamentele cercetate se dezvoltă cute şi microcute în general strânse, delimitate de fisuri şi fracturi. Stratele sunt în general orientate E – V cu înclinări mari de 70 – 900 către N sau S (fig. 8.2).
Fig. 8.2 Diagrama microtectonică a suprafeţelor de stratificaţie pentru tronsonul de
vale km 3+100 ÷ km 6+500 (după Marchidanu E. 2001)
24
În marea lor majoritate sunt orientate aproximativ N – S (perpendicular pe stratificaţie) şi au înclinări de 40 – 900 către E sau V. deschiderile fisurilor sunt în general submilimetrice sau milimetrice, fiind colmatate cu argilă (în zona de alteraţie).
8.4. Condiţii geotehnice
Pe v. Azuga de-a lungul timpului au fost analizate mai multe amplasamente de baraj (km 3+100, km 5+800, km 6+600, etc.).
Încercările „in-situ” au constat în principal din teste de compresibilitate şi forfecare pe cuburi de beton.
În primele teste de cercetare, aceste încercări au fost realizate în galerii, rezultatele considerându-se neconcludente deoarece tavanul galeriei nu a putut susţine în numeroase cazuri sarcina de încărcare. Din această cauză încercările din anul 2002 au fost realizate pe o platforma experimentala poziţionată pe malul drept al văii Frumoasa, în apropierea confluenţei cu r. Azuga, la km 3+200 unde se găseşte un afloriment de rocă bine conservat (fig. 8.3).
Fig. 8.3 Platforma experimentală detaliu; a. Grafică
Contrapresiunea în acest caz a fost o cruce de fier solidarizată cu capetele unor tiranţi (10 bucăţi), sprijinită pe o structură metalică de rezistenţă astfel încât să nu se dezechilibreze.
8.4.1. Tiranţii s-au realizat din fire SBP φ 7 mm, au avut adâncimi de 14 – 18 m cu o zonă a bulbului de ancorare de 6 m. Testele s-au realizat la întindere, la sarcini de verificare de 62 – 75 tf, respectiv de smulgere de 90 – 110 tf. Blocajul s-a efectuat în sistemul inel – con la 50 tf (fig. 8.4).
Fig. 8.4 Analiza comportării tiranţilor; curbe efort – deformaţie
25
8.4.2. Încercările de compresibilitate în zona platformei experimentale au dat rezultate realiste şi reprezentative pentru o rocă compusă cca. 55 % din gresii şi marnocalcare, respectiv 45 % şisturi argiloase. Stratele sunt oblice faţa de amprenta cubului având înclinări de peste 600. Se obţin astfel, la sarcini verticale de 20 – 30 daN/cm2 valori ale modulilor de elasticitate de 10.500 – 29.000 daN/cm2 (fig. 8.5).
Fig. 8.5 Încercări de compresibilitate în zona platformei experimentale
Faţă de încercările din galerii, în zona platformei experimentale roca se încadrează în domeniul elasto-plastic la sarcini de peste 20 daN/cm2, iar valorile modulilor de deformaţie, respectiv de elasticitate au o relativă dispersă datorită neomogenităţii rocii de bază (fig. 8.6).
26
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.1
0.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0570.074
0.065 0.074
0.151
0.322
0.382
0.4140.428
0.440
0.4590.464
0.4950.503
0.4270.437
0.463
0.5690.5780.578
0.6190.619
0.667
0.691
0.756
0.833
0.896
k = 1 - Ed / Ee
Ed / E
e
(daN
/cm
²) DIAGRAMA DE ÎNCADRARE A ROCII DIN PUNCT DE
VEDERE AL ELASTICITATII - PLATFORMA EXPERIMENTALA
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.1
0.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
k = 1 - Ed / Ee
Ed / E
e
(daN
/cm
²)
DIAGRAMA DE ÎNCADRARE A ROCII DIN PUNCT DE
VEDERE AL ELASTICITATII - GALERII
0.038
0.057
0.079
0.099
0.037
0.070
0.103
0.106
0.122
0.146 0.144
0.148
0.162
0.219
0.278 0.274
0.278
0.125
0.192
0.214
0.250
0.333
0.3530.373
0.3860.359
0.395
0.444
0.820
DOM
ENIU
L
ELA
STIC
DOM
ENIU
L
ELA
STO
- PLASTIC
DOM
ENIU
L
PLA
STIC
Zona Km. 3 + 100
Zona Km. 6 + 500
Fig. 8.6 Încadrarea în domenii de elasticitate a rezultatelor încercărilor de compresiune
În zona platformei experimentale s-au executat încercări de forfecare din care s-au obţinut valori superioare ale parametrilor geotehnici: φv = 420; cv = 588 kPa; φl = 330; cl = 560 kPa.
8.4.3. Condiţiile hidrogeologice în amplasamentul din zona km 6+600 au fost analizate prin realizarea unor foraje hidrogeologice cu adâncimi de 30 – 65 m pe tronsoane de 5 m, la presiuni maxime de 15 atm.
Roca străbătută de foraj este considerată slabă pentru un indice IRQD de 35 – 40 % şi prezintă o zonă de tectonizare şi alteraţie cu fisuri deschise, până la cca. 20 m adâncime.
Pe ansamblu, s-a putut realiza următoarea zonare pe verticală a rocii de baza din punct de vedere al încercărilor hidraulice:
Adâncimea de la suprafaţa rocii de bază (m)
Capacitatea specifică de absorbţie q (l/m.min.0,1atm)
Consumul de ciment la injectare A (kg/m)
0 – 20 ÷ 30 q 0,2 – 0,5 > 75 – 150
20 ÷ 30 – 30 ÷ 40 q 0,05 – 0,08 < 75
> 40 q 0,03 – 0,05 10 – 30
Consistenţa suspensiilor pentru cimentare a fost de 1 : 2 ÷ 1 : 0,8, chiar 1 : 3 pentru reinjecţie sau fisuri fine.
În urma analizei datelor primare s-a constatat că până la 20 m (uneori 30 m) are loc o decolmatare a fisurilor chiar clacări ale rocii la presiuni de 15 atm.
Sub 20 m adâncime au loc absorbţii combinate cu deformare elastică a rocilor (fig. 8.7).
27
0.02
0.06
0.10
0.04
0.08
5 2010 15
FORAJ 202 - TRONSON 18 - 23m
1
2
34
5
0.01
0.03
0.05
0.02
0.04
5 2010 15
FORAJ 202 - TRONSON 42 - 47m
12
3
45
Decolmatare a fisurilor in zona
de alteratie
Decolmatare insotita de
deformare elastica a fisurilor
qs(l/mxminx0.1atm)qs(l/mxminx0.1atm)
P(at) P(at)
0.01
0.03
0.05
0.02
0.04
5 2010 15
FORAJ 204 - TRONSON 15 - 20m
Tronson cu intercalatii de sisturi(in
care forajul traverseaza o microcuta)
qs(l/mxminx0.1atm)
P(at)
Alternanta de sisturi argiloase
cu gresii in benzi centimetrice
1
2
34
5
0.02
0.06
0.10
0.04
0.08
5 2010 15
FORAJ 202 - TRONSON 28 - 33m
qs(l/mxminx0.1atm)
P(at)
1 2
3
4
5
Deşi capacitatea specifică de absorbţie scade în general în adâncime, datorită eterogenităţii rocii prezenţa intercalaţiilor poate marca pe diferite tronsoane de adâncime (mai ales în apropierea suprafeţei) un comportament neliniar al rocii.
8.4.4. În zona platformei experimentale s-au făcut verificări ale absorbţiei de apă sub sarcină în găuri de foraj cu adâncimea de cca. 3 m, pe principiul vasului cu nivel constant. În majoritatea cazurilor absorbţia de apă a scăzut odată cu încărcarea – până la 15 - 20 daN/cm2, crescând la 20 - 30 daN/cm2 (fig. 8.8).
0.1
0.2
0.3
0.4
1
2
3
4
5
6
7
8
s(mm)
(daN/cm )210 20 30
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
1
2
3
4
5
6
7
8
10 20 30(daN/cm )2
CUB Nr. 2
s(mm)
qs
0
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
1
2
3
4
5
6
10 20 30(daN/cm )
2
qs
s(mm)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
1
2
3
4
5
6
7
8
10 20 30 (daN/cm )
s(mm)
qs
0
CUB Nr. 4
2
CUB Nr. 1 CUB Nr. 3
qs
Fig. 8.8 Capacitatea specifică de absorbţie sub încărcare – reprezentarea corelaţiilor
28
9. CONCLUZII
1. FORMAŢIUNEA GEOLOGICĂ DE FLIŞ este o formaţiune sedimentară de origine marină formată într-o regiune geosinclinală la marginea unui craton. În bazinele de sedimentare (fose eugeosinclinale şi miogeosincinale) sedimentele în curs de litificare sau litificate au fost acreţionate şi deversate sub forma pânzelor de şariaj.
Cutarea (sinclinale, anticlinale, cute falie), microcutarea, frecvenţa alternanţelor litologice şi intensa tectonizare deosebesc formaţiunile flişului de alte tipuri de roci.
2. DISCONTINUITĂŢILE în masivele de roci stâncoase sunt reprezentate de clivaj, fisurile de tensiune şi de forfecare, de stratificaţie, de falii şi microfalii. În cadrul formaţiunilor de fliş atât fisurile cât şi faliile sunt asociate frecvent fenomenelor de cutare rezultate în urma stressurilor tectonice. În cadrul lucrării, pe lângă mecanismele de generare ale fisurilor este prezentată o clasificare şi metodele de masurare, proiecţie şi prelucrare statistică a acestora.
3. PERMEABILITATEA ROCILOR FISURATE. Analiza acestei caracteristici hidrogeologice s-a realizat atât din punct de vedere fizico-geologic cât şi matematic-hidraulic utilizându-se diverse tipuri de analogii.
Au fost prezentate metodele cele mai uzuale de măsurare „in situ” şi în laborator a acestei caracteristici.
Pentru rocile flişului capacitatea specifică de absorbţie ca parametru hidrogeologic definitoriu variază în limite foarte largi, precum indicele de sensibilitate (care nu poate caracteriza decât componentele petrografice competente ale secvenţelor flişului).
Permeabilitatea variază funcţie de deschiderea şi frecvenţa fisurilor,de orientarea planelor de discontinuitate faţă de axa forajelor (vezi analiza de la barajul Siriu).
4. IMPERMEABILIZAREA ROCILOR STÂNCOASE FISURATE a cuprins încă din start o prezentare a interacţiunilor particulelor minerale din cadrul suspensiilor, evidenţiindu-se rolul suprafeţei specifice, al energiei de hidratare, al capacităţii de schimb, al potenţialului ionic, respectiv al forţelor de interacţiune între particule.
S-au relevat astfel importanţa concentraţiei electrolitice, a valenţei şi razei ionice faţă de grosimea complexului de adsorbţie, a structurii, permeabilităţii, gradului de dispersie şi vâscozităţii suspensiilor.
Vâscozitatea suspensiilor s-a analizat atât pentru suspensii vâscoase newtoniene cât şi pentru suspensii vâscoase binghamiene considerate ca fluide cu o anumită structură (necesitând un efort iniţial de forfecare pentru iniţierea curgerii).
Un spaţiu important a fost acordat caracteristicilor materialelor (cimenturi, argile) componente ale suspensiilor, respectiv tipurilor de suspensii stabile şi instabile care se pot obţine în practica inginerească. S-a evidenţiat rolul activării mecanice sau chimice (cu descrierea detaliată a proprietăţilor argilelor montmorillonitice) în scopul obţinerii stabilităţii suspensiilor s-au prezentat reţete de suspensii uzuale reliefându-se importanţa aplicării metodelor de injectare GIN (Gruting Injection Number).
5. PRESIUNEA DE INJECTARE are o importanţă deosebită. Au fost astfel prezentate relaţii între debitele absorbite, deschiderea fisurilor, adâncimea de injectare, distanţa faţă de axul barajului şi presiunea, cu evidenţierea faptului că debitele variază cu puterea a patra a presiunii.
6. STUDII DE CAZ s-au efectuat pentru: barajul Poiana Uzului (în zona flişului extern) unde s-au aplicat soluţii de remediere pentru infiltraţiile din versantul drept; barajul Paltinu (în zona flişului est intern) unde în anul 1974 în versantul stâng s-au produs infiltraţii şi deplasări ale rocii şi unde s-au efectuat cercetări microtectonice detaliate realizându-se corelaţii matematice între grosimea stratelor şi distanţa între fisuri; barajul Siriu (fliş extern paleogen) unde în 1992 la ridicarea nivelului în lac au avut loc infiltraţii in galeriile din versantul stâng şi unde studiile de microtectonică şi hidrogeologie s-au finalizat prin evidenţierea tendinţelor stratificaţiei şi fisuraţiei prin proiecţii în reţeaua polară, respectiv prin corelaţii între densitatea fisuraţiei şi grosimea stratelor şi între deschiderea şi frecvenţa fisurilor cu permeabilitatea; barajul Măneciu.
BIBLIOGRAFIE
1. Al. Alusi H. R. (1995). Lense grouting in geotechnical ingineering. A XI-a Conferinţa Regională de Mecanica Pământurilor şi Inginerie geotehnică de la Cairo.
2. Andrei S., Antonescu I. (1980). Geotehnică şi fundaţii. I.C.B.
3. Anastasiu N., Jipa D. (1983). Texturi şi structuri sedimentare. Editura tehnică.
4. Bally R. J., Nicola Gabriel (2000). Armarea pământurilor prin injectare de clacaj. A X-a conferinţă de Geotehnică şi Fundaţii Cluj.
5. Bally R. J., Klein R., Dragomir G. (1992). Consolidări şi impermeabilizări prin injectarea pământului la infrastructuri şi construcţii subterane. A VII-a Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii, vol. 2, Timişoara.
6. Bally R. J., Nicola Gabriel (2000). Noroiul autoîntăritor – interacţiunea componentelor. A VII-a Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii Cluj Napoca.
7. Banford W. F & Barton C. M. ş.a. (1977). Suggested Methods for the quantitive description of discontinuities in rock masses. International Society for rock mechanics.
8. Barton N. Stephansson O. (1990). Rock Joints. A. A. Balkema - Brookfield.
9. Băncilă I. (1980). Geologie inginerească. Editura tehnică.
10. Băncilă I. (1989). Geologia amenajărilor hidrotehnice. Editura tehnică.
11. Bâlă M. (1977). Baraje din materiale locale. Editura tehnică
12. Brull A. (1983). Effets méchaniques de l’eau interstitielle. Centre de Recherches Routière Bruxelles.
13. Cambefort H. (1977). Principes et aplications de l’injection. Annales de l’I.T.B.T.P.
14. Castany G. (1968). Prospection et exploitation des eaux souterraines.
15. Constantinescu Emil, Stiopol V. (1979). Mineralogie. Editura Didactică şi Pedagogică.
16. Coumoulos J. D.., Therianos A. D. (1997). Countrolling Leakage in the Kremasta Dam Abutmens. Water Power and Dam Construction.
17. Crăciun F., Moisescu S., Constantinescu S. (1971). Barajul Poiana Uzului. Influenţa condiţiilor geologice şi microtectonice asupra permeabilităţii şi capacităţii de injectare a rocilor. Revista hidrotehnică nr. 6.
18. Crăciun F., Moisescu S. (1971). Barajul Poiana Uzului. Condiţii geologice inginereşti. Revista hidrotehnică nr. 16.
19. Dasargues A. (1992). Modeles hidrogeologiques d’ecoulement. Prelegere program Tempus.
20. Dinu C., Pauliuc I. (1985). Geologie structurală. Editura tehnică.
21. De Paoli B. (1992). Fundamental observations on cement based grouts. Traditional materials. Geotechnical Special Publication no. 30.
22. Escario V. (1998). Improving defective foundations in gypsures ground by cement – bentonite grouting. VIII ECSMFE Helsinky.
23. Fenoux G. Y. (1986). Progres recents dans les techniques speciales du traitement des fondations des barrages. XVI COLD, vol. 3 Lausanne.
24. Flegont Gh., Andrei C. (2002). Injecţii şi drenaje în fundaţiile stâncoase ale marilor baraje. Editura MAD Linotype.
25. Florea M. (1983). Mecanica rocilor. Editura tehnică.
26. Furnigel L., Sima N. (1990). Acumularea Arţarul pe râul Olt, jud. Harghita. Studiu geologic-tehnic şi hidrogeologic (1990). Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
27. Furnigel L., Hârsulescu A., (1991). Urmărirea lucrărilor de injectare a perdelei de etanşare pentru mărirea gradului de siguranţă al barajului Poiana Uzului. Referat geologic-tehnic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
28. Furnigel L., Sima N. (1992). Acumularea Ciobănuş pe p. Ciobănuş – b.h. Trotuş. Studiu geologic-tehnic şi hidrogeologic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
29. Furnigel L., Pojar Fl., Furnigel Il. (1998 – 2002). Surse de alimentare cu apă a zonei Azuga – Breaza, jud. Prahova – etapele I şi II. Studii geologice-tehnice şi hidrogeologice privind barajul Azuga pe v. Azuga. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
30. Furnigel L. (1996, 2012). Refacerea lacului de acumulare Belci, jud. Bacău. Studiu geologic-tehnic şi hidrogeologic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
31. Furnigel L., Pojar Fl., Furnigel Il. (1998). Cercetări privind punerea în siguranţă a lucrărilor de gospodărire a apelor în condiţiile unor calamităţi naturale sau accidente în exploatare. Cercetări privind soluţiile de îmbunătăţire a sistemelor de etanşare a fundaţiei barajelor percolate în timpul exploatării. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
32. Furnigel L. Supraînălţare baraj Săcele. Studiu de sinteză (1992). Studii geologic-tehnice Faza: D.E. (1994 – 2000). Referate şi asistenţă geotehnică şi hidrogeologică (1994 – 2005). Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
33. Furnigel L. (2003). Acumularea nepermanentă valea Moneasa, jud. Arad. Studiu geologic-tehnic şi hidrogeologic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
34. Furnigel L. (2003). Punerea în siguranţă a barajului Buhui pentru alimentarea cu apă a oraşului Anina, jud. Caraş-severin. Studiu geologic-tehnic şi hidrogeologic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
35. Furnigel L. (2004). Amenajări necesare prevenirii procesului de colmatare a lacului de acumulare Măneciu pe râul Teleajen, jud. Prahova. Studiu geologic-tehnic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
36. Furnigel L., Burete M. (2008). Acumularea Mihoieşti pentru apărarea împotriva inundaţiilor şi alte folosinţe, jud. Alba. Studiu geologic-tehnic. Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A.
37. Gurău A. (1982). Microtectonica. Editura tehnică.
38. Hobbs E., Means D., Williams P. (1976). Principii de geologie structurală. Editura ştiinţifică şi enciclopedică.
39. Hobst L., Zajc J. (1981). Ancorarea în roci. Editura tehnică.
40. Ionescu Şt. (2002). Prelucrarea statisticǎ a datelor geologice şi geotehnice. Revista hidrotehnică nr. 5.
41. Jaroszewski W. (1984). Fault and fold tectonics – PWN. Publication Scientific Polish Varşovia.
42. Kilkpatrik B. L. & Garner S. J. (1992). Use of cement – bentonite for cut wall construction in Grouting soil improvement and geosynthetics. Geotechnical Special Publication.
43. Lombardi G., Deere D. (1993). Grouting Design and Control using the GIN Principle. Water Power and Dam Construction no. 6.
44. Macovei N. (1993). Fluide de foraj şi cimenturi de sondă. Editura Universităţii din Piteşti.
45. Marchidanu E. (2000). Observaţii geologice inginereşti asupra flişului paleogen din zona barajului Siriu pe râul Buzău. A IX-a Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii Cluj Napoca.
46. Marchidanu E. (1973). Referat privind: Studiul microtectonic al rocilor stâncoase cu privire specială asupra fisuraţiei.
47. Marchidanu E. (1983). Impermeabilizarea prin cimentare a rocilor fisurate. Editura tehnică.
48. Marchidanu E. (1998). Sinteza, prelucrarea şi interpretarea datelor rezultate din studiile geologice inginereşti şi din rapoartele de urmărire a comportării în exploatare a barajului Siriu cu privire specială asupra infiltraţiilor de apă prin terenul de fundare – versant stâng. U.T.C.B.
49. Marchidanu E. (2001). Studiu microtectonic în zona amplasării barajului pe valea pârâului Azuga. U.T.C.B.
50. Marchidanu E. (2001). Raport tehnic de expertiză privind studiile geologice inginereşti pentru proiectul: Surse de alimentare cu apă a zonei Azuga – Breaza, jud. Prahova. U.T.C.B.
51. Marchidanu E., Furnigel L., Vardianu A., Rolea V. (2004). Platformă pilot pentru teste geomecanice in-situ efectuate în amplasamentul unui baraj din beton, de greutate, pe valea Azuga, jud. Prahova. Revista Română de Geotehnică şi Fundaţii nr. 2.
52. Mărunţeanu Cristian (1999). Geologie inginerească. Editura Universităţii din Bucureşti.
53. Mutihac V., Ionesi L. (1975). Geologia României. Editura tehnică.
54. Neville A. M. (1975). Proprietăţile betonului. Bucureşti.
55. Nicolescu I. (1975). Tehnologia stabilizării pământurilor. Editura Ceres.
56. Nicola G., Bally R. J., Udrea G. (2000). Cazuri de injectare a pământurilor condiţionate de injectări repetate. A XI-a Conferinţă Naţională de Geotehnică şi Fundaţii Cluj.
57. Sima N., Furnigel L. (2003). Azuga testing platform. XIIIth European Conference on Soil Mechanics and Geotehnical Engineering, Praga.
58. Stanciu Anghel (2002). Fundaţii – fizica şi mecanica pământurilor. Editura tehnică.
59. Stematiu D. (1997). Mecanica rocilor. Editura didactică şi pedagogică.
60. Stematiu D., Popovici Adrian. (1999). Expertiză tehnică voal de etanşare baraj Săcele. U.T.C.Bucureşti
61. Şeclăman Marin. (2001). Studii mineralogice, petrografice şi determinări fizico-mecanice pe roci tari (aferent proiectului: Surse de alimentare cu apă a zonei Azuga – Breaza). Universitatea Bucureşti – Facultatea de Geologie şi Geofizică.
62. Todorescu A. (1984). Propietăţile rocilor. Editura Tehnică.
63. International Society for Rock Mechanics (oct. 1977). Suggested methods for the quantitativ description of discontinuities in rock masses.
*
* *
Arhiva tehnică S.C. Aquaproiect S.A. Studii geologice, hidrogeologice şi geotehnice 1970 – 2006
Institutul Geologic. Harta geologică a României scara 1 : 200.000
