Разработка методов контроля устойчивости и прогноза физического состояния гидротехнических сооружений (ГТС) – водохранилищ, прудов, земляных плотин, дамб, является весьма актуальной, так как нарушение их функционирования связано не только с возможным значительным экономическим и экологическим ущербом, но иногда способно приводить к авариям, представляющим опасность для жизни людей. Только в Пермском крае насчитывается более 1100 различного рода ГТС.
Одной из основных причин разрушения ГТС часто является невыполнение своевременных ремонтно-восстановительных мероприятий, которые, в свою очередь, не планируются из-за отсутствия либо недостаточности информации о состоянии конструкций ГТС (наличия зон разуплотнения пород, степени их однородности, влагонасыщенности и др.). Использование для этой цели инженерно-геологических методов не обеспечивает в полной мере решение данных вопросов в силу дискретного характера информации, получаемой при обследовании шурфов и скважин, а также относительно высокой стоимости выполнения работ. При этом само механическое воздействие на ГТС не способствует сохранению его прочностных характеристик.
В связи с этим в последнее время все большее внимание уделяется созданию новых технологий оперативного неразрушающего контроля устойчивости и прогноза физического состояния гидротехнических объектов, основанных на использовании геофизических методов [1–3, 6].
Целью исследований явилась разработка технологии комплексного геофизического обследования ГТС на основе создания новых технологических решений в области полевой съемки, обработки, интерпретации и физико-геологического истолкования получаемых материалов. Использован следующий комплекс геофизических методов: инженерная сейсморазведка, георадарное зондирование, вертикальное электрическое зондирование, метод естественного поля. Основной принцип формирования комплекса – повышение однозначности решения обратной геофизической задачи и физико-геологического истолкования получаемых материалов на основе использования совокупности взаимодополняющих физических параметров с учетом индивидуальных информационных возможностей каждого из методов относительно определения структурных, литологических и петрофизических характеристик среды.
Учитывая специфику изучаемых объектов, одним из необходимых элементов при создании технологии изучения ГТС является решение следующих вопросов: а) создание типовых физико-геологических моделей типовых гидротехнических сооружений; б) проведение численного моделирования в целях оценки аномальности проявления в физических полях зон с ослабленными физико-механическими свойствами; в) изучение коррелятивных соотношений между разными физическими характеристиками среды.
Наиболее распространенной конструкцией ГТС на территории Пермского края являются земляные насыпные плотины и дамбы, формируемые из глинисто-щебенистого материала. На основе анализа совокупности типовых моделей ГТС разных районов Пермского края была сформирована характерная типовая физико-геологическая модель (ФГМ), послужившая основой для проведения численного моделирования с целью оценки физических характеристик основных толщ пород и особенностей их проявления в геофизических полях.
Результаты численного моделирования сейсмического и электрического полей, выполненные на основе обобщенной ФГМ, показали, что в геоэлектрическом и временном разрезах находят отображение практически каждый из слоев обобщенной ФГМ, обеспечивая возможность уверенного расчленения разреза ГТС и выявления возможных потенциально опасных зон (рис. 1–2). Так, участки повышенной влажности уверенно отображаются пониженными значениями в поле кажущихся сопротивлений (рис. 1, б) и в поле удельных электрических сопротивлений (рис. 1, в). При этом уверенно фиксируются параметры аномальных участков – их степень отличия от окружающих грунтов по физическим свойствам, форма, глубина, размеры по горизонтали.
Рис. 1. Результаты численного моделирования электрических зондирований для типовой пятислойной физико-геологической модели ГТС Пермского края с ослабленными зонами (а): б – разрез кажущихся сопротивлений; в – разрез удельных электрических сопротивлений
Результаты моделирования сейсмических волновых полей, в свою очередь, указывают на возможность выделения грунтов с пониженными упругими свойствами – скоростью упругих волн и плотностью. Аномалии скоростей продольных волн, заложенные в модель, четко проявляются как в полевом материале – сейсмограмма общего пункта возбуждения (рис. 2, в), так и в результатах обработки – временном разрезе (рис. 2, б).
Рис. 2. Результаты численного моделирования сейсмического волнового поля для типовой пятислойной физико-геологической модели ГТС Пермского края с ослабленными зонами (а): б – разрез общей глубинной площадки (ОГП) для преломляющей границы № 1; в – сейсмограмма общего пункта возбуждения (ОПВ) для участка без ослабленной зоны; г – сейсмограмма ОПВ для участка с ослабленной зоной
Поскольку эффективность использования геофизических методов определяется совокупностью аппаратурно-программного и интерпретационного обеспечения выполнения работ, при создании новой технологии обследования дамб и плотин были привлечены и исследованы возможности современных аппаратурных и компьютерных средств, в том числе и разработанных авторами [3, 5].
Для производства работ электроразведочными методами вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и естественного поля (ЕП) использован запатентованный аппаратурно-программный комплекс АМС-1 [5], обладающий повышенной помехозащищенностью и высокой точностью измерений, а для физико-геологического истолкования получаемых материалов – сертифицированная система программ «ЗОНД» [3], позволяющая в автоматическом режиме осуществлять качественную и количественную интерпретацию полевых материалов с получением количественных параметров как отдельных слоев, так и любой заданной части разреза.
Пример интерпретации данных ВЭЗ для одного из ГТС по ул. П. Морозова в г. Кунгуре Пермского края приведен на рис. 3.
Рис. 3. Пример интерпретации данных электрического зондирования: а) разрез кажущихся сопротивлений; б) геоэлектрический разрез
По результатам количественной интерпретации получен шестислойный геоэлектрический разрез, в целом согласующийся с типовой моделью. На геоэлектрическом разрезе выделяются четыре основных геоэлектрических комплекса. Первый из них представлен неоднородными по составу насыпными грунтами (суглинок щебенистый), залегающими в интервале глубин 0 – 5 м. Второй комплекс находится в интервале 4 –16 м и характеризует породы, представленные глинами. Далее до глубины 24 – 27 м следуют породы третьего комплекса, отображающие свойства обвально-карстовых отложений (супесь, щебень, глыбы). Разрез Рк и геоэлектрический разрез позволяют отследить области пониженных электрических сопротивлений, отождествляемых с повышенной влажностью грунтов.
Опытные сейсморазведочные исследования выполнены методами преломленных (МПВ) и отраженных волн (МОВ) с соответствующими системами наблюдения. Основой для проектирования систем наблюдения служила максимальная глубина изучения разреза – 15 –20 м и априорная геологическая информация о строении ГТС, требующих обследования.
Для регистрации во всех случаях использована 64-канальная телеметрическая цифровая сейсмостанция IS-128 (ООО «Интромаг», г. Пермь) в комплекте с вертикальными и горизонтальными сейсмоприемниками GS-20DX (ООО «Ойо-Геоимпульс», г. Уфа).
Для обработки, интерпретации и визуализации сейсморазведочных данных использована программа RadExpro Plus Total 3.7. Она позволяет осуществить в рамках одной системы весь процесс обработки и интерпретации данных методов отраженных и преломленных волн: чтение и визуализацию сейсмограмм, амплитудную коррекцию, двумерную и полосовую фильтрации, учет рельефа, корреляцию и увязку годографов преломленных волн, определение скоростей продольных и поперечных волн, построение модели среды.
Совместное использование продольных и поперечных волн, выполненное с учетом [7], позволило выполнить оценку ФМС грунтов – вычислить отношение Vp/Vs, модули Юнга, сдвига, всестороннего сжатия и коэффициент Пуассона. На результативных геосейсмических разрезах отмечаются области пониженных ФМС, которые ассоциируются с ослабленными грунтами в теле ГТС.
На рис. 4 приведены результаты комплексных исследований для ГТС по ул. П. Морозова в г. Кунгуре, которые указывают на наличие взаимной корреляции данных, полученных разными геофизическими методами. Аномальные зоны, прослеживаемые в интервале глубин 1–10 м, в пределах пикетов 7–12, 19–25, отмечаются пониженными значениями электрического сопротивления (метод ВЭЗ), уменьшением значений модуля Юнга (сейсморазведка), повышенным затуханием высокочастотного электромагнитного поля (георадарное зондирование) и увеличением абсолютных значений потенциала естественного поля (метод ЕП). Подобная корреляция согласуется с известными петрофизическими и физико-химическими представлениями о проявлении в физических полях зон повышенной влажности, глинистости и пористости пород, способствуя повышению достоверности геологических заключений.
Рис. 4. Результаты комплексных геофизических исследований: а – разрез кажущегося сопротивления; б – график потенциала естественного электрического поля; в – геоэлектрический разрез, совмещенный с георадарным; г – график модуля
Наиболее уверенно структурные особенности разреза отображаются результатами сейсмометрии и георадарных наблюдений, упругие свойства – скоростными характеристиками разреза и физико-механическими свойствами грунтов, получаемыми на основе сейсмических данных, а степень увлажнения и водопроницаемости пород – методами электрометрии (ВЭЗ, ЕП, георадар).
Данная технология апробирована на большом объеме материала в условиях Пермского края. По результатам комплексной интерпретации сейсморазведочных и электрометрических исследований даны рекомендации для разработки оптимальных ремонтно-восстановительных мероприятий: работы по берегоукреплению реки, а также по созданию дренажных сооружений для отвода подземных вод, залегающих в интервале насыпных грунтов для предотвращения суффозионных и оползневых процессов.
Выводы
Использование новой технологии комплексных геофизических изысканий с использованием методов инженерной сейсмики, георадиолокации, электрического зондирования, естественного электрического поля на базе новых аппаратурных и интерпретационных возможностей обеспечивает возможность уверенной диагностики и оценки текущего состояния гидротехнических сооружений.
Рецензенты:
Гершанок Валентин Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры геофизики Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Середин Валерий Викторович, доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.