Б. А. Канарейкин, А. Г. Прихода, О. М. Сагайдачная, В.В. Щербаков
Вцелях обеспечения экологической безопасности крупных техногенных объектовактуально детальное изучение состояния грунтов насыпных инженерных сооружений(железнодорожных и автодорожных насыпей, гидротехнических сооружений и т. п.),в т. ч. определение физико-механических свойств геологического разреза, оценкатрещиноватости и (или) закарстованности пород, картирование водоносных иводоупорных образований и т. д. Известно, что сейсмические методы исследованийземной коры и поиска полезных ископаемых широко используются при изучениигрунтов для решения задач инженерной геофизики, что обеспечивает надежноеобнаружение границ раздела, различающихся по упругим параметрам. Более того,можно повторно выполнить сейсмические наблюдения, провести сейсмомониторинг за состояниемгрунтов, наличием и развитием эрозионного процесса в толще грунтов и наповерхности, за деформациями насыпных инженерных сооружений.
Внастоящей работе описывается технология детальных сейсмических исследований дляинженерно-геологических изысканий, обеспечивающая:
оценкуфизико-механических свойств геологического разреза, включающего насыпныесооружения, в т. ч. оценку влажности грунтов;
выявлениелокальных участков разуплотнения грунтов;
определениеконтуров подземных гидротехнических сооружений;
оценкузаполнения цементом пустотного пространства.
Основнымиэлементами предлагаемой технологии детальных сейсмических исследований приобследовании грунтов техногенных объектов являются:
многоканальнаяпортативная сейсмостанция, обеспечивающая широкодиапазонную и широкополоснуюрегистрацию упругих колебаний;
многокомпонентнаярегистрация волн разной поляризации (продольных и поперечных) по методике многократныхнаблюдений с комплексированием систем наблюдений Z-z. и Y-y;
сейсмотомографическаяобработка многокомпонентных данных.
Даннаятехнология детальных сейсмических исследований с мобильной многоканальнойсейсмостанцией была опробована при обследовании малых гидротехническихсооружений Новосибирской области на Шипу-новской и Карасевской плотинах в летнийпериод. Ши-пуновское и Карасевское водохранилища расположены в пределахзападной ветви Салаирского кряжа в 30 км севернее Барнаульской шовной зоны,включающей активно живущий глубинный разлом. Барнаульский разлом и прилегающиетерритории относятся по сейсмоопасно-сти к 8-балльной зоне (по Карте общегосейсмического районирования Российской Федерации ОСР-97-С, под ред. акад. В. Н.Страхова и проф. В. И. Уломова, ОИФЗ, 1999). Проведение работ с оценкойсостояния насыпных дамб водохранилищ, находящихся в районах с повышеннойбалльностью, особенно целесообразно с позиции обеспечения экологическойбезопасности.
Общая характеристика исследуемых малыхгидротехнических сооружений
Шипуновскоеводохранилище расположено вблизи п. Шипуново Сузунского района Новосибирскойобласти. Дамба водохранилища имеет длину около 200 м и перекрывает русло ипойму р. Холодная. Высота насыпной дамбы в пределах русловой части — около 15м.Глубина водохранилища в период проведения полевых работ составила примерно 12м. Расстояние от уровня воды в водохранилище до гребня дамбы по вертикалиравнялось 5 м, ширина гребня плотины -5м, ширина основания дамбы — около60...80 м. В центральной части дамбы имеется донный водоспуск. В верхней частидамбы над водопропускным устройством располагается шесть водосбросных трубдиаметром 1,5 м, по которым происходит сброс воды в периоды переполненияводохранилища. Насыпные грунты дамбы с поверхности представлены суглинками,состав грунтов глубинных частей дамбы неизвестен. В пределах нижнего откоса плотиныимели место провалы грунтов в местах проекции водосбросных труб на земнуюповерхность.
Карасевскоеводохранилище расположено вблизи п. Карасево Черепановского районаНовосибирской области. Дамба водохранилища имеет длину около 250 м иперекрывает русло и пойму р. Арапиха. Высота насыпной дамбы в пределах русловойчасти составляет около 6 м. Ширина гребня плотины равна 10 м, ширина основаниядамбы — около 40 м. В центральной части дамбы имеется водопропускноеустройство, состоящее из шести водосбросных труб диаметром 1,5 м. Насыпныегрунты дамбы с поверхности представлены суглинками. Имели место неоднократныепрорывы дамбы в пределах нижнего откоса. В плане участки прорыва располагалисьна боковых участках водосбросных труб и под основанием гидротехническогосооружения. В период проведения полевых работ водохранилище было спущено.
Специфическиеусловия (обводненность территории) проведения детальных сейсмическихисследований при отсутствии рабочих чертежей плотин потребовали выполнениявысокоточных геодезических работ, включая топографическую съемку плотин.
Полевыесейсмические работы проводились с 24-разрядной отечественной телеметрическойсейсмостанци-ей СТС-24Р в варианте автономной регистрирующей системы (АРС, до120 каналов), конструктивно размещенной на транспортной базе автомобиля типаУАЗ [3]. Станция обеспечивает прецизионную широкополосную и широкодиапазоннуюрегистрацию упругих колебаний в реальном времени, ее основные техническиехарактеристики следующие:
частотадискретизации — 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0;16,0 мс;
мгновенныйдинамический диапазон — более 120 дБ;
коэффициентнелинейных искажений — менее 0,002%;
потребляемаямощность на канал — менее 0,33 Вт;
максимальнаядлительность регистрации — практически не ограничена;
числонакоплений — практически не ограничено;
отметкамомента — от пьезодатчика;
диапазонрабочих температур — от -40 до 60 °С.
Полевыеработы были выполнены по методике многокрагных наблюдений с использованиемпродольных и поперечных профилей. Расстояния между пунктами возбуждения упругихколебаний составляли до 1 м, такие же расстояния были и между пунктами приемаупругих колебаний. На Шипуновском водохранилище сейсмические наблюдениявыполнены по системе профилей, проложенных в средней части дамбы: десятьпрофилей располагались параллельно оси дамбы на расстоянии друг от другапримерно 4 м, два профиля -поперек дамбы на расстоянии 1,5 м от крайнихводосбросных труб. Система сейсмических профилей на Карасевском водохранилищетакже располагалась в средней части дамбы: четыре продольных профиля — параллельно оси дамбы на расстоянии друг от друга примерно 10 м, шестьпоперечных профилей — поперек дамбы на расстоянии примерно 6 м друг от друга.
Всистеме возбуждения — прием Z-z упругие колебания регистрировались на открытомканале одиночными вертикальными сейсмоприемниками (в проведенных работахиспользовались геофоны GX20DX), а возбуждение упругих колебаний осуществлялосьвертикально направленным ударом специального устройства массой до 6 кг. Всистеме возбуждения — прием Y-y регистрация колебаний проводилась одиночнымигоризонтальными сейсмоприемниками (использовались геофоны СГ-10),ориентированными поперек профиля наблюдений. Источник возбуждения — горизонтальный удар по металлической пластине, сцепленной с грунтом, ориентированнойпоперек профиля наблюдений.
Обработкасейсмической информации проведена в интерактивном режиме в сиc теме Windows XP.Первичная обработка сейсмических материалов заключалась в построении длякаждого профиля системы годографов волн, регистрируемых в первых вступлениях,прежде всего годографов продольных рефрагированных волн при наблюдениях посистеме Z-z и годографов поперечных (типа SH) рефрагированных волн принаблюдениях по системе Y-y. Сейсмотомогра-фические преобразования выполненыпосле ввода кинематических и фазовых поправок, включая корректировку фазы,обусловленной изменением преобладающей частоты регистрируемых упругих колебанийв зависимости от расстояния возбуждения — прием. В программномсейсмотомографическом комплексе (автор В. Н. Курбатский) реализованалгоритмический аппарат лучевой сейсмотомографии, обеспечивающий вавтоматическом режиме итерационный подбор скоростной модели среды привыполнении условия минимизации разности времен между наблюденными итеоретическими годографами во всех точках наблюдения. Общее решение задачисводится к решению системы линейных уравнений с большим количествомнеизвестных, которое достигается способом алгебраической реконструкции [1].
/>
Посистеме наблюдений Z-z сейсмотомографический разрез среды восстанавливается позначениям скорости распространения продольных волн (V), а по системе наблюденийY-y — по значениям скорости распространения поперечных волн (Vs) (рис. 1).Полученные сведения о значениях скоростей Vp и Vs позволяют получитьсей-смотомографический разрез по параметру у = VS/Vp, который с высокойдостоверностью характеризует степень водонасыщенности грунтов [2, 4]. С учетомаприорно установленных корреляционных связей между скоростями распространенияупругих волн Vp и Vsфизико-механическими свойствами грунтов могут бытьпостроены томографические разрезы и по другим параметрам (плотность, модульдеформации, сцепление и др.).
Врезультате интерпретации сейсмических материалов были построенысейсмофизические модели насыпных гидротехнических сооружений: земляного полотнаШипуновского водохранилища и дамбы Карасевского водохранилища.
МодельШипуновского водохранилища имеет пя-тислойное строение (рис. 2). Рельефповерхности коренных пород в пределах насыпной плотины изменяется от отметок 72м до 84 м (рис. 3). Пониженные отметки рельефа локализуются в две достаточноузкие извилистые зоны, из которых западная может быть отождествлена сзахороненным руслом р. Холодная. Сейс-мотомографические разрезы, полученные попараметру у, показали, что с увеличением глубины значения у постепенноуменьшаются до 0,25, которые свойственны полностью водонасыщенным грунтам.Наблюдаемая аномалия отношения у = 0,25 совпадает с захороненным руслом. Впределах низового откоса плотины выделяется ряд локальных зон сраспространением рыхлых разуплотненных грунтов (V
/>
Рис.2. Сейсмофизическая модель земляного полотна плотины Шипуновского водохранилищапо профилю 12: 1 — граница уровня грунтовых вод; 2 — разуплотненные сухиегрунты; 3 — плотные влажные грунты; 4 — коренные породы; 5 — умеренно плотныегрунты; 6 — водоносные грунты
/>
Рис.3. Схема рельефа поверхности коренных пород в районе плотины Шипуновского водохранилища,построенная по материалам сейсмотомографических исследований:
1- водозамерный колодец
Сейсмическиеисследования, выполненные на дамбе Карасевского водохранилища, в той же степенипозволили оценить физико-механические характеристики грунтов в окрестностималого гидротехнического сооружения и выявить в них аномальные зоны.Установлена область резкого разуплотнения приповерхностных грунтов на низовомоткосе дамбы над водосбросными трубами, в пределах которой наблюдаются провалыв грунтах. Определены особенности поведения поверхности во-донасыщенных грунтовв пределах земляного тела плотины, в рельефе которой прослежены локальныеканалы с повышенной фильтрацией грунтовых вод. В рельефе поверхности коренныхпород обнаружена зона повышенной фильтрации подземных вод из водонапорной зоныКарасевского водохранилища, которую с учетом ее конфигурации можно трактоватькак захороненное русло р. Арапиха. На сейсмотомографических разрезах попрофилям, освещающим особенности фунтов над водосбросными трубами Карасевскоговодохранилища, фиксируется высокоскоростная аномалия (К до 2000 м/с), котораяотображает зацементированные участки земляной насыпи.
НаКарасевском водохранилище были выполнены также специальные площадные наблюденияна поверхности низового откоса для оценки состояния грунтов в околотрубномпространстве после ремонтных цементаж-ных работ с возбуждением упругихколебаний внутри водосбросной трубы. На сейсмотомографических разрезах (рис. 4)достаточно уверенно выделяется высокоскоростная аномалия (Vp до 2000 м/с),примыкающая к трубе на участке, расположенном над восточной бровкой насыпи,которую можно отождествить с кавернами в грунте, заполненными цементом. Второйучасток относительно повышенных значений (Vp до 800 м/с) на всех профиляхфиксируется в нижней части откоса, что также можно объяснить цементациейзатрубного пространства. Скоростная аномалия здесь имеет сквозноераспространение и выходит на земную поверхность. Именно на этом участке приинъектировании цемента наблюдался его прорыв на поверхность. На участке междуэтими двумя высокоскоростными зонами в околотрубном пространстве отмечаетсяаномальная низкоскоростная зона (Vp = 140 м/с...220 м/с). Данную зону можноотождествить с областью сильно разуплотненных, рых лых грунтов, которая была неликвидирована при ремонтных работах. Не исключено, что именно через эту зонуможет произойти прорыв дамбы при высоком уровне заполнения Карасевскоговодохранилища.
/>
Рис.4.Сейсмотомографические разрезы околотрубного пространства на дамбе Карасевскоговодохранилища после укрепления ее цементным раствором
Основные выводы и рекомендации
Полученныерезультаты свидетельствуют о перспективности применения сейсмотомографическогоспособа для выявления локальных зон обводненности и разуплотнения в насыпныхгрунтах и подстилающих коренных породах, которые могут провоцировать аварийныеситуации в окрестности малых гидротехнических сооружений. Организациявозбуждения упругих колебаний во внутренних частях гидротехническогосооружения, например внутри водосбросных труб, позволяет контролироватьсостояние грунтов в околотрубном пространстве, а также качество заполненияцементом пустотного пространства после выполнения соответствующихпрофилактических и ремонтных работ.
Размервыявляемых локальных неоднородностей в грунтах с использованием способа лучевойсейсмото-мографии определяется плотностью расположения профилей и плотностьюнаблюдений по каждому из профилей. Для большинства естественных и насыпныхгрунтов при расстановке сейсмоприемников с шагом до 1 м и таком же шаге пунктоввозбуждения упругих колебаний возможно выделение скоростных и (или) плотностныханомалий размерами до 2 м в диаметре при наблюдениях на земной поверхности и до1 м при наблюдениях по типу просвечивания. Частота записи упругих колебаний прирегистрации вертикальной компоненты должна быть не менее 80 Гц, и такойспектральный состав возбуждаемых колебаний при инженерных работах на плотинахдостигается. При наблюдениях на земной поверхности частота записи равна, какправило, 100 Гц, при наблюдениях по типу просвечивания частота записиповышается до 150 Гц и более. Выявление более мелких неоднородностей (менее 1м) возможно с использованием систем наблюдений с уменьшением расстояния междусейсмоприемниками и между пунктами возбуждения упругих колебаний до 0,5 м.Регистрация упругих колебаний в этом случае выполняется с интерваломдискретизации не более 0,25 мс.
Определениеконтура подземных гидротехнических сооружений или каких-либо отдельныхэлементов этих сооружений также может решаться с применением сейсмическогометода. Технология полевых работ, в т. ч. регистрирующая сейсмическая станция исистемы наблюдения упругих колебаний, для решений таких задач остается прежней,но интерпретация волнового поля с позиций сейсмотомографии будет дополнятьсяиспользованием методов инверсии высокочастотного волнового поля отраженных ипреломленных волн.
Список литературы
1.Канарейкин Б. А., Курбатский В. Н., Ким А. Ф., 1993, Опыт использованиясейсмотомографии при изучении строения железнодорожных насыпей: Изв. вузов(строительство), 1.
2.Никитин В. Н., 1981, Основы инженерной сейсмики: М., МГУ.
3.Прихода А. Г., Сагайдачная О. М., Шмыков А. Н., 2001, Многоканальнаяотечественная сейсмотелеметрическая станция СТС-24Р: Геофизический вестник, 12.
4.Пузырев Н. Н., 1992, Методы сейсмических исследований: Новосибирск, Наука.