Сейсмотомографіческіе дослідження грунтів при
інженерно-геологічні дослідження
Б. А. Канарейкін, А. Г. Прихода, О. М. Сагайдачний, В.
В. Щербаков
В
метою забезпечення екологічної безпеки великих техногенних об'єктів
актуально детальне вивчення стану грунтів насипних інженерних споруд
(залізничних і автодорожніх насипів, гідротехнічних споруд і т. п.),
в т. ч. визначення фізико-механічних властивостей геологічного розрізу, оцінка
тріщинуватості і (або) закарстованість порід, картування водоносних і
водотривких утворень і т. д. Відомо, що сейсмічні методи досліджень
земної кори і пошуку корисних копалин широко використовуються при вивченні
грунтів для вирішення завдань інженерної геофізики, що забезпечує надійне
виявлення меж розділу, що розрізняються по пружним параметрами. Більш того,
можна повторно виконати сейсмічні спостереження, провести сейсмомоніторінг за станом
грунтів, наявністю і розвитком ерозійного процесу в товщі грунтів і на
поверхні, за деформаціями насипних інженерних споруд.
В
даній роботі описується технологія детальних сейсмічних досліджень для
інженерно-геологічних вишукувань, що забезпечує:
оцінку
фізико-механічних властивостей геологічного розрізу, що включає насипні
споруди, в т. ч. оцінку вологості грунтів;
виявлення
локальних ділянок розущільнення грунтів;
визначення
контурів підземних гідротехнічних споруд;
оцінку
заповнення цементом пустотного простору.
Основними
елементами пропонованої технології детальних сейсмічних досліджень при
обстеженні грунтів техногенних об'єктів є:
багатоканальна
портативна сейсмостанція, що забезпечує широкодіапазонний і широкосмугову
реєстрацію пружних коливань;
багатокомпонентна
реєстрація хвиль різної поляризації (поздовжніх і поперечних) за методикою багаторазових
спостережень з комплексування систем спостережень Zz. і Y-y;
сейсмотомографіческая
обробка багатокомпонентних даних.
Дана
технологія детальних сейсмічних досліджень з мобільного багатоканальної
сейсмостанцій була випробувана при обстеженні малих гідротехнічних
споруд Новосибірської області на Шіпу-ський і Карасевской греблях в літній
період. Ши-пуновское і Карасевское водосховища розташовані в межах
західної гілки Салаїрський кряжу в 30 км на північ від Барнаульский шовного зони,
що включає активно живе глибинний розлом. Барнаульский розлом і прилеглі
території ставляться по сейсмонебезпечній-сті до 8-бальною зоні (по Карті загальному
сейсмічного районування Російської Федерації ОСР-97-С, під ред. акад. В. Н.
Страхова і проф. В. І. Уломова, ОІФЗ, 1999). Проведення робіт з оцінкою
стану насипних дамб водосховищ, що знаходяться в районах з підвищеною
балльностью, особливо доцільно з позиції забезпечення екологічної
безпеки.
Загальна характеристика досліджуваних малих
гідротехнічних споруд
Шіпуновское
водосховище розташоване поблизу с Шипунова Сузунський району Новосибірської
області. Дамба водосховища має довжину близько 200 м і перекриває русло і
зрозумію р. Холодна. Висота насипної дамби в межах руслової частини - близько 15м.
Глибина водосховища в період проведення польових робіт склала приблизно 12
м. Відстань від рівня води у водосховищі до гребеня дамби по вертикалі
дорівнювало 5 м, ширина гребеня греблі-5м, ширина підстави дамби - близько
60 ... 80 м. У центральній частині дамби є донний водоспуск. У верхній частині
дамби над водопропускних пристроєм розташовується шість водоскидних труб
діаметром 1,5 м, за яким відбувається скидання води в періоди переповнення
водосховища. Насипні грунти дамби з поверхні представлені суглинками,
склад грунтів глибинних частин дамби невідомий. У межах нижнього укосу греблі
мали місце провали грунтів у місцях проекції водоскидних труб на земну
поверхню.
Карасевское
водосховище розташоване поблизу п. Карасьова Черепановского району
Новосибірської області. Дамба водосховища має довжину близько 250 м і
перекриває русло і зрозумію р. Арапіха. Висота насипної дамби в межах руслової
частини складає близько 6 м. Ширина гребеня греблі дорівнює 10 м, ширина підстави
дамби - близько 40 м. У центральній частині дамби є водопропускну
пристрій, що складається з шести водоскидних труб діаметром 1,5 м. Насипні
грунти дамби з поверхні представлені суглинками. Мали місце неодноразові
прориви дамби в межах нижнього укосу. У плані ділянки прориву розташовувалися
на бічних ділянках водоскидних труб і під основою гідротехнічного
споруди. У період проведення польових робіт водосховище було спущено.
Специфічні
умови (обводненість території) проведення детальних сейсмічних
досліджень при відсутності робочих креслень гребель зажадали виконання
високоточних геодезичних робіт, включаючи топографічну зйомку гребель.
Польові
сейсмічні роботи проводилися з 24-розрядної вітчизняної телеметричної
сейсмостанції-їй СТС-24Р у варіанті автономної реєструючої системи (АРС, до
120 каналів), конструктивно, розміщеної на транспортній базі автомобіля типу
УАЗ [3]. Станція забезпечує прецизійну широкосмугову і широкодіапазонний
реєстрацію пружних коливань у реальному часі, її основні технічні
характеристики наступні:
частота
дискретизації - 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16,0 мс;
миттєвий
динамічний діапазон - понад 120 дБ;
коефіцієнт
нелінійних спотворень - менше 0,002%;
споживана
потужність на канал - менше 0,33 Вт;
максимальна
тривалість реєстрації - практично не обмежена;
число
накопичень - практично необмежена;
відмітка
моменту - від п'єзодатчика;
діапазон
робочих температур - від -40 до +60 ° С.
Польові
роботи були виконані за методикою многокрагних спостережень з використанням
поздовжніх і поперечних профілів. Відстані між пунктами збудження пружних
коливань складали до 1 м, такі ж відстані були і між пунктами прийому
пружних коливань. На Шіпуновском водосховище сейсмічні спостереження
виконані за системою профілів, прокладених у середній частині дамби: десять
профілів розташовувалися паралельно осі дамби на відстані один від одного
приблизно 4 м, два профілю-поперек дамби на відстані 1,5 м від крайніх
водоскидних труб. Система сейсмічних профілів на Карасевском водосховище
також була розташована в середній частині дамби: чотири поздовжніх профілю --
паралельно осі дамби на відстані один від одного приблизно 10 м, шість
поперечних профілів - поперек дамби на відстані приблизно 6 м один від одного.
В
системі збудження - прийом Zz пружні коливання реєструвалися на відкритому
каналі одиночними вертикальними сейсмопріемнікамі (у проведених роботах
використовувалися геофони GX20DX), а збудження пружних коливань здійснювалося
вертикально спрямованим ударом спеціального пристрою масою до 6 кг. У
системі збудження - прийом Yy реєстрація коливань проводилася поодинокими
горизонтальними сейсмопріемнікамі (використовувалися геофони СГ-10),
орієнтованими поперек профілю спостережень. Джерело збудження --
горизонтальний удар по металевій пластині, зчепленої з грунтом, орієнтованої
поперек профілю спостережень.
Обробка
сейсмічної інформації проведено в інтерактивному режимі в сіc темі Windows XP.
Первинна обробка сейсмічних матеріалів полягала в побудові для
кожного профілю системи Годограф хвиль, що реєструються в першому вступах,
перш за все Годограф поздовжніх рефрагірованних хвиль при спостереженнях по
системі Zz і Годограф поперечних (типу SH) рефрагірованних хвиль при
спостереженнях за системою Y-y. Сейсмотомогра-фіческіе перетворення виконані
після введення кінематичних і фазових поправок, включаючи коригування фази,
обумовленої зміною переважної частоти реєстрованих пружних коливань
в залежності від відстані збудження - прийом. У програмному
сейсмотомографіческом комплексі (автор В. Н. Курбатскій) реалізований
алгоритмічний апарат променевої сейсмотомографіі, що забезпечує в
автоматичному режимі ітераційний підбір швидкісної моделі середовища при
виконанні умови мінімізації різниці часів між спостереженнями і
теоретичними Годограф у всіх точках спостереження. Загальне рішення задачі
зводиться до рішення системи лінійних рівнянь з великою кількістю
невідомих, що досягається способом алгебраїчної реконструкції [1].
За
системі спостережень Zz сейсмотомографіческій розріз середовища відновлюється по
значенням швидкості поширення поздовжніх хвиль (V), а за системою спостережень
Yy - за значеннями швидкості поширення поперечних хвиль (Vs) (рис. 1).
Отримані відомості про значення швидкостей Vp і Vs дозволяють отримати
Цього-смотомографіческій розріз по параметрі у = VS/Vp, який з високою
вірогідністю характеризує ступінь водонасичення грунтів [2, 4]. З урахуванням
апріорно встановлених кореляційних зв'язків між швидкостями розповсюдження
пружних хвиль Vp і Vsфізіко-механічні властивості грунтів можуть бути
побудовані томографічні розрізи і за іншими параметрами (щільність, модуль
деформації, зчеплення та ін.)
В
результаті інтерпретації сейсмічних матеріалів були побудовані
сейсмофізіческіе моделі насипних гідротехнічних споруд: земляного полотна
Шіпуновского водосховища і дамби Карасевского водосховища.
Модель
Шіпуновского водосховища має п'ятого-тіслойное будову (мал. 2). Рельєф
поверхні корінних порід в межах насипний греблі змінюється від позначок 72
м до 84 м (рис. 3). Знижені позначки рельєфу локалізуються у дві досить
вузькі звивисті зони, з яких західна може бути ототожнена з
похованим руслом р. Холодна. Сейс-мотомографіческіе розрізи, отримані за
параметру у, показали, що зі збільшенням глибини значення у поступово
зменшуються до 0,25, які властиві повністю водонасичення грунтів.
Видимий аномалія відносини у = 0,25 збігається з похованим руслом. У
межах низового укосу греблі виділяється ряд локальних зон з
розповсюдженням пухких розущільнення грунтів (V <200 м/с), серед яких
найбільш значною є зона над водоскидних трубами за профілями 5-9.
Саме на цій ділянці (між 8 і 9 профілями) фіксуються провали. Таким
чином, на цій ділянці фіксується і древнє русло р.. Холодна, і локальне
пониження рівня грунтових вод. Збіг в плані осідання греблі і провалів
грунту з похованим руслом логічно пояснити підвищеної фільтрацією (стоком)
води в межах цього каналу. При цьому йде процес інтенсивного вимивання
частинок, і в першу чергу дрібних фракцій, в результаті якого і з'являються
спостерігаються провали грунту на поверхні земляного насипу. У цілому потенційно
небезпечним ділянкою відносно можливого прориву Шіпуновской греблі є
зона підвищеної фільтрації грунтових вод у верхній частині водонасишенних
грунтів, що в основному контролюється похованим руслом р. Холодна.
Рис.
2. Сейсмофізіческая модель земляного полотна греблі Шіпуновского водосховища
за профілем 12: 1 - межа рівня грунтових вод; 2 - розущільнення сухі
грунти; 3 - щільні вологі грунти; 4 - корінні породи; 5 - помірно щільні
грунти; 6 - водоносні грунти
Рис.
3. Схема рельєфу поверхні корінних порід в районі греблі Шіпуновского
водосховища, побудована за матеріалами сейсмотомографіческіх досліджень:
1
- Водозамерний колодязь
Сейсмічні
дослідження, виконані на дамбі Карасевского водосховища, в тій же мірі
дозволили оцінити фізико-механічні характеристики грунтів у околиці
малого гідротехнічної споруди і виявити в них аномальні зони.
Встановлено область різкого розущільнення приповерхневих грунтів на низовому
укосі дамби над водоскидних трубами, в межах якої спостерігаються провали
в грунтах. Визначено особливості поведінки поверхні по-донасищенних грунтів
в межах земляного тіла греблі, в рельєфі якої простежено локальні
канали з підвищеною фільтрацією грунтових вод. У рельєфі поверхні корінних
порід виявлена зона підвищеної фільтрації підземних вод з водонапірної зони
Карасевского водосховища, яку з урахуванням її установки можна трактувати
як поховані русло р.. Арапіха. На сейсмотомографіческіх розрізах по
профілів, які висвітлюють особливості фунтів над водоскидних трубами Карасевского
водосховища, фіксується високошвидкісна аномалія (К до 2000 м/с), яка
відображає Зацементовані ділянки земляного насипу.
На
Карасевском водосховищі були виконані також спеціальні майданні спостереження
на поверхні низового укосу для оцінки стану грунтів у околотрубном
просторі після ремонтних цементаж-них робіт з порушенням пружних
коливань усередині водоскидних труби. На сейсмотомографіческіх розрізах (рис. 4)
досить впевнено виділяється високошвидкісна аномалія (Vp до 2000 м/с),
примикає до труби на ділянці, розташованій над східною брівкою насипу,
яку можна ототожнити з кавернами в грунті, заповненими цементом. Другий
ділянка щодо підвищених значень (Vp до 800 м/с) на всіх профілях
фіксується в нижній частині укосу, що також можна пояснити цементацією
затрубний простору. Швидкісна аномалія тут має наскрізне
поширення і виходить на земну поверхню. Саме на цій ділянці при
ін'ектірованіі цементу спостерігався його прорив на поверхню. На ділянці між
цими двома високошвидкісними зонами в околотрубном просторі відзначається аномальна
низькошвидкісна зона (Vp = 140 м/с...220 м/с). Цю зону можна ототожнити з
областю сильно розущільнення, яких лих грунтів, яка була не ліквідована
при ремонтних роботах. Не виключено, що саме через цю зону може відбутися
прорив дамби при високому рівні заповнення Карасевского водосховища.
Рис.4.
Сейсмотомографіческіе розрізи околотрубного простору на дамбі Карасевского
водосховища після зміцнення її цементним розчином
Основні висновки та рекомендації
Отримані
результати свідчать про перспективність застосування сейсмотомографіческого
способу для виявлення локальних зон обводнення і розущільнення в насипних
грунтах і підстилаючих корінних породах, які можуть провокувати аварійні
ситуації в околиці малих гідротехнічних споруд. Організація
збудження пружних коливань у внутрішніх частинах гідротехнічного
споруди, наприклад всередині водоскидних труб, дозволяє контролювати
стан грунтів у околотрубном просторі, а також якість заповнення
цементом пустотного простору після виконання відповідних
профілактичних та ремонтних робіт.
Розмір
виявляються локальних неоднорідностей в грунтах з використанням способу променевої
сейсмото-мографіі визначається щільністю розташування профілів і щільністю
спостережень по кожному з профілів. Для більшості природних і насипних
грунтів при розстановці сейсмопріемніков з кроком до 1 м і такому ж кроці пунктів
збудження пружних коливань можливе виділення швидкісних і (або) плотностних
аномалій розмірами до 2 м в діаметрі при спостереженнях на земній поверхні і до
1 м при спостереженнях за типом просвічування. Частота запису пружних коливань при
реєстрації вертикальної компоненти повинна бути не менше 80 Гц, і такий
спектральний склад порушуваних коливань при інженерних роботах на дамбах
досягається. При спостереженнях на земній поверхні частота запису рівна, як
правило, 100 Гц, при спостереженнях за типом просвічування частота запису
підвищується до 150 Гц і більше. Виявлення дрібніших неоднорідностей (менше 1
м) можливо з використанням систем спостережень зі зменшенням відстані між
сейсмопріемнікамі і між пунктами збудження пружних коливань до 0,5 м.
Реєстрація пружних коливань у цьому випадку виконується з інтервалом
дискретизації не більше 0,25 мс.
Визначення
контуру підземних гідротехнічних споруд або будь-яких окремих елементів
цих споруд також може вирішуватися із застосуванням сейсмічного методу.
Технологія польових робіт, у т. ч. реєструє сейсмічна станція і системи
спостереження пружних коливань, для рішень таких завдань залишається колишньою, але
інтерпретація хвильового поля з позицій сейсмотомографіі буде доповнюватися
використанням методів інверсії високочастотного хвильового поля відбитих і
переломлені хвиль.
Список літератури
1.
Канарейкін Б. А., Курбатскій В. М., Кім А. Ф., 1993, Досвід використання
сейсмотомографіі при вивченні будови залізничних насипів: Изв. вузів
(будівництво), 1.
2.
Нікітін В. М., 1981, Основи інженерної сейсміки: М., МГУ.
3.
Прихода А. Г., Сагайдачний О. М., Шмиков О. М., 2001, Багатоканальна
вітчизняна сейсмотелеметріческая станція СТС-24Р: Геофізичний вісник, 12.
4.
Пузирьов Н. Н., 1992, Методи сейсмічних досліджень: Новосибирск, Наука.
