Научно-методические основы геофизического мониторинга гидро-и горнотехнических сооружений в криолитозоне якутской алмазоносной



Скачать 172.47 Kb.
Pdf просмотр
Дата26.05.2018
Размер172.47 Kb.


184
Великин С.А., Шестернев Д.М.
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГИДРО-И
ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ
ПРОВИНЦИИ
(Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН)
Открытие алмазоносных пород в Западной Якутии в середине 50-х годов, широкомасштабные и комплексные исследований природных условий этой территории, обусловили выделение Якутской алмазоносной провинции (ЯАП). В геолого-географическом отношении провинция приурочена, к центральной части Сибирской платформы. Ее площадь составляет около 900 тыс. км
2
. На территории ЯАП распространена вечная мерзлота преимущественно сплошного типа, мощностью от десятков до нескольких сотен метров и отрицательными температурами пород ее слагающих, изменяющихся от долей до 3-4 и более градусов.
Для освоения алмазоносных месторождений ЯАП за короткий период были созданы крупные горнопромышленные предприятия, включающие селитебные территории, горнотехнические, гидротехнические и линейные сооружения. Интенсивность, характер и способы их взаимодействия, а также результаты взаимодействия с вечной мерзлотой, как показала практика функционирования перечисленных сооружений, часто непредсказуемы, а их протекание может существенно затруднять ее эффективность. Для решения этих проблем была создана в пос. Чернышевске ВНИМС ИМЗ им.
П.И. Мельникова СО РАН, основными задачами которой были и остаются фундаментальные исследования формирования и трансформации геофизических полей в геологической и геокриологической среде с учетом естественных изменений природных условий, особенностей и разновидностей влияния на нее технического прессинга. Для эффективного их решения, в качестве методологической базы был выбран системный подход, позволивший обосновать необходимость использования комплексного геофизического мониторинга физико-геокриологических моделей
(ФГКМ) горно- и гидротехнических систем (ГРТС и ГДТС)[1,3,9]. Следует отметить, что границы этих систем определяются воздействием сооружений на геокриологическую среду. Однако если строго следовать системному подходу, то технические системы воздействуют не только на геокриологическую среду, но и на другие сферы (атмосферу, гидросферу, биосферу) и, поэтому область взаимодействия окружающей среды и технического сооружения будет более правильным называть природно-техническая система [7,9].
С конца 70-х годов часть земной коры (литосферы), являющейся основой для развития биосферы начали называть геологической средой. Согласно Е.М. Сергееву, это любые горные породы и почвы в верхней части литосферы, изучаемые как многокомпонентные системы в области деятельности человека. Исходя из этого, криогенной средой ЯАП мы будем называть ту часть криолитозоны, которая испытывает воздействия технической среды.
В развитии алмазодобывающий промышленности на территории ЯАП условно можно выделить три этапа: начальный (1955 – 1970), развития и стагнации (1970-1990), современный (после
1990 г). В начальный этап были введены в строй первые горнотехнические объекты добычи алмазов будущего Мирнинского ГОК (карьер "Мир", 1957 г), Айхальского в 1961 (карьер "Айхал"),
Удачнинского в 1967 (карьер "Удачный") (таблица). На втором этапе, первые горнотехнические объекты Анабарского ГОКа, выделившегося из Удачнинского ГОКа, появились в 1984 г (Прииск "Анабар"). В современный период создан Нюрбинский горно-обогатительный комбинат для освоения месторождений Накынского рудного поля в Нюрбинском улусе Республики Саха (Якутия) — кимберлитовых трубок «Нюрбинская» и «Ботубинская», россыпей (2000 г.). К настоящему времени существуют 5 полноценных ГОКов, в структуре каждого из которых функционируют различные предприятия обеспечивающие жизнедеятельность ГОКов, включая селитебные территории (города, поселки городского типа и т.п.). Поскольку в течение первых двух периодов технология добычи алмазов открытым способом по разным причинам стало малоэффективной, повсеместно используется подземная разработка месторождений алмазов. Несомненно, что функционирования


185 структуры ГОКов невозможно без наличия гидротехнических сооружений, линейных сооружений, крупных энергетических комплексов (Вилюйской ГЭС-1 и ГЭС-2, а также Светлинской ГЭС). Период строительства и ввода в строй первых двух 1960-1978, третьей - 1979-2004 гг.
Перечисленные выше инженерные сооружения существенно отличаются по площади, по глубине и по видам воздействия на толщи многолетнемерзлых пород (ММП). Воздействие горнотехнических сооружений (шахты, карьеры) на ММП достигает глубины 1000 и более метров, гидротехнических сооружений еще предстоит установить, но известно, что в пределах водохранилищ
ГЭС оно может достичь 2/3 их ширины. Однако по механизму теплового воздействия все они подразделяются на два типа: экстенсивного и интенсивного. Интенсивного воздействия первого типа зависит от изменения природными и техническими факторами составляющих радиационно- теплового баланса, вторых - от интенсивности непосредственного стока тепла в массивы вечной мерзлоты [8] .
Необходимо также отметись весьма существенное различие природных условий, в которых создавалась хозяйственная структура ГОКов [5]. Это относится не только к физико-географическим, но и к геокриологическим условиям (см.таблицу). Несомненно, также и то, что в настоящее время, эти условия меняются в связи с глобальным изменением природно-климатических условий. Например, в г. Якутске, среднегодовое значения температуры воздуха, в настоящее время повысилось на 2 градуса и составляют -8 градусов.
Перечисленные выше особенности строительства функционирования гидро- и горнотехнических сооружений, а также природные условия, в которых они находятся, предопределили формирование геокриологической среды, строение и свойства которой существенно отличаются в пространстве и во времени и в значительной мере зависят от ее взаимодействия с конкретными типами инженерных сооружений. В результате этого в области их взаимодействия часто возникают различные типы инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических процессов и явлений, которые отрицательно сказываются на жизнедеятельность и эксплуатационные характеристики сооружений. Несомненно, что предупреждение их развития связано с диагностикой состояния геокриологической среды. Однако максимального эффекта в обеспечении рационального функционирования объектов алмазодобывающей промышленности, возможно, достичь только на основе создания технологии управления свойствами геокриологической среды. Решения этой задачи невозможно без надежной технологии контроля за геофизическими полями в криолитозоне в целом, и в пределах границ геокриологической среды, в частности.
Базируясь на перечисленных выше предпосылках по созданию геофизического мониторинга на гидротехнических объектах, расположенных в зоне развития многолетнемерзлых пород (ММП) Якутской алмазоносной провинции (ЯАП) был опробован в процессе многолетних работ ВНИМС ИМЗ СО РАН широкий комплекс геофизических методов исследований [1-10]

и решали различные целевые задачи:
1. Термометрические мониторинговые наблюдения для изучения температурного режима и тепловых потоков в изучаемых массивах горных пород
Таблица
Общая характеристика ГОКов строительство и функционирование которых приурочено к трем этапам развития алмазодобывающей промышленности Якутии
ГОК
(ГС)
Общая характеристика ГОКов
Краткая характеристика геокриологической среды (ГКС)
ГОКов
ТИСС ГОКов
НФ, год ТРМА
ПГР,м
А
й ха л
ск и
й
(1 9
8 6
)
Рудник «Айхал»
1961
ОРМА
305
Климат: Климат района субарктический с чётко
1997
ПРМА
305

Необходимо отметить, что в процессе исследований широко использовались геофизические методы поисковых комплексов
геологических экспедиций АК АЛРОСА и разработки ведущих научных организаций, в том числе МГРИ, МГУ, Радионды, Рудгеофизики и др


186
КР «Юбилейный»
1989
ОРМА
720 выраженными чертами континентальности,
= -7,...,-19°, температурная инверсия составляет при безветрии в 2-5° на каждые 100 м подъёма; Q
ос
.= 190,..., 200 мм.
Территория ГОКа находится в зоне сплошного распространения ММП,
Н
нга
= −3°,...,−6°, Н
ммп
= 800 −1100 м, в верховьях р. Мархи до 1500 м;
=2,5,...,3,0 м для щебенистых пород, для пород в долинах рек и озерных котловинах, перекрытых мохово- торфяными покровами - = 0,5,...,1,0 м
КР «Комсомольский»
2002
ОРМА
460
ПГТ «Айхал»
1960
-
-
М
и р
н и
н ск и
й
(1 9
9 5
)
КР «Мир»
Закрыт в 2001 г
1957
ОРМА
525
Климат резко континентальный.
Зима очень холодная, лето короткое, но тёплое.
= -4,...,-10°,Q
ос
.= 250,...,
300 мм. На территории ГОК преимущественно сплошное распространение ММП, Н
нга
=
−2°,...,−4°, Н
ммп
= 300 −400 м, =
0,5,...,3,0 м,
ПР «Мир»
2002
ПРМА
1050
(КР закрыт 2010)
ПР
«Интернациональный»
1971
ОРМА
284 1999
ПРМА
1220
Прииск одораздельные галечники»
1957
ОРМА
ДРП
Прииск «Ирелях», пос. «Алмазный
1958
ОРМА
ДРП
20-30 г.Мирный
1965
(1957)
-
20-1250
У
д ач н
и н
- ск и
й
(
2 0
0 2
)
КР «Удачный»
1967
ОРМА
600
Климат суровый, резко континентальный: зима до 8 месяцев, минимальная температура опускается до −60°С, максимальная +35°С.
= -
14°С.Мощность вечномерзлых горных пород в районе г.Удачный 1500 км это максимальное промерзание горных пород в северном полушарии
Земли. Средняя годовая температура мерзлоты на глубине 10-15 м колеблется от -1°С , -2°С до –10°С, -
12°С. Почвы глеемерзлотно-таежные в сочетании с болотными.
ПР «Удачный»
2 004
П
РМА
8 30 г. Удачный
1 967
-
-
Примечания. Горно-обогатительный комбинат ГОК (ГС) , в скобках год создания; тип инженерных сооружений ТИСС ГОКа; начало функционирования НФ, год; ТРМА – тип разработки месторождения алмазов: открытой ОРМА ; подземной ПРМА ; проектная глубина разработки ПГР; карьер КР; многолетнемерзлые породы, ММП; температура пород на глубине нулевых годовых амплитуд на глубине 10-15 м., Н
нга
; мощность ММП, Н
ммп
, м; мощность слоя сезонного оттаивания пород.
Место для формулы.
, м; среднегодовые температуры воздуха,
, °С; количество осадков за год, Q
ос
; обогатительная фабрика, ОФ; Центр окончательной доводки, ЦКД; ремонтно-строительное специализированное управление, подземный рудник ПР
2. Высокоточный индукционный и волновой диэлектрический каротаж (ВИК - разработка
МГРИ и ВНИМС и ВДК - разработка МГРИ), позволяющий изучать в естественных условиях электропроводность и диэлектрическую проницаемость криогенных пород в широком диапазоне.


187 3. Гамма, гамма-спектрометрический и гамма-гамма плотностной каротаж (ГК, ГСК, ГГК-п).
Методами проводилось литолого-стратиграфическое расчленение разрезов в скважинах по плотности горных пород.
4. Радиоволновое просвечивание (РВП – разработка фирмы Радионда) впервые использовалось в регионе для геоинтроскопии межскважинного и околоскважинного пространства и получения детальных пространственных характеристик слагающих его геоэлектрических горизонтов, изучения изменчивости их границ под влиянием природных и техногенных процессов.
5. Высокоточный каротаж магнитной восприимчивости (ВКМВ – разработка МГРИ) и каппа- метрия (разработка ВНИМС) для литологического расчленения геокриологических разрезов в натурных условиях, также привязка образцов керна для определения физических свойств.
6. Каротаж методом электрического сопротивления на постоянном токе для сухих скважин, а также обсаженных пластиковыми и железными обсадными трубами (ЭКОС - разработка ВНИМС).
7. Механический каротаж (АМК, разработка ВИОГЕМ) для изучения прочности на одноосное сжатие для выделения льдистых и рыхлых горизонтов.
8. Слежение за динамикой пьезометрических уровней в специально оборудованных гидрогеологических скважинах в сочетании с резистивиметрией.
9. Наземные электроразведочные методы в различных модификациях, включая электротомографию (ЭТ) и методы естественного поля (ЕП), метод заряженного тела (МЗТ), дипольное индуктивное профилирование (ДИП), высокочастотное электропрофилирование (ВЧЭП), метод переходных процессов (МПП) и др.
10. Георадиолокацию в наземном и водном вариантах, локация бокового обзора (ЛБО), аквальные исследования методом элетротомографии для изучения верхних частей геокриологических разрезов и строения прибрежной части дна водохранилища.
11. Сейсморазведочные (МПВ, МОВ и ВСП) для получения глубинной информации о геологическом строении ММП.
Эти работы позволили сформировать комплекс геофизических методов, которыми успешно решались отдельные геокриологические задачи, как на гидротехнических, так и на горнотехнических объектах ЯАП. При этом, к числу наиболее эффективных были отнесены: скважинные - термометрические, ВДК, ВИК, ГК, ГГК, ВКМВ, ЭКОС, РВП, резистивиметрия и ВСП; наземные электрометрические - ЕП, ЭП, МПП, а также георадиолокационные и сейсмометрические методы.
В настоящее время, несмотря на широкий спектр решаемых этими методами отдельных инженерно-геокриологических и экологических задач требуется переход на более качественный уровень ведения комплексных геофизических исследований. В первую очередь это связано с необходимостью внедрения автоматизированных систем регистрации геофизических измерений в режиме натурного мониторинга для целей контроля и оперативного прогноза аварийных ситуаций на ГЭС, расположенных в верхней части криолитозоны.
Предлагаемая комплексная система наблюдений и контроля в зонах активного взаимодействия основных сооружений гидроузла и его водохранилища с природным комплексом должна создаваться путем объединения мониторинговой геофизической сети с существующей контрольно-наблюдательной сетью системы КИА. Это повысит информативность и точность исследований комплексного многоцелевого геофизического мониторинга криолитозоны и оптимального использования имеющейся системы наблюдательных скважин и прилегающих к ним наземных профилей для прогноза возможных аварийных ситуаций.
Сложность решения поставленной задачи заключается в том, что гидротехнические объекты в криолитозоне являются открытыми системами, находящимися в состоянии неустойчивого квазиравновесия при температуре вблизи точки плавления льда. Такие системы, как известно, динамичны и в них возможны проявления процессов, как самоорганизации, так и хаотизации.
Первые проявляются в определенной устойчивой ритмичности изменения системы, а вторые – в нарушении такой ритмичности и ухода от устойчивости.
Известно, что основным средством познания закономерностей развития таких сложных объектов является системное статистическое моделирование, позволяющее изучать динамику процессов «плохо организованных систем» К ним можно отнести и геокриологические процессы, не поддающиеся безупречному количественному описанию, вследствие чего строгое понятие закона


188 заменяется при их изучении более широким понятием - модели, обеспечивающей лишь приближенное представление о строении объекта. Там же утверждается, что «изоморфное моделирование мерзлых пород и льдов вообще практически невозможно, а голоморфное может быть реализовано только для частных образов и состояний, но ни одна из них не адекватна гетерогенным многофазным поликристаллическим криогенным породам ввиду гораздо большего числа факторов, влияющих на различные физические свойства».
Учитывая сложность решения основной задачи и опыт предыдущих исследований, нами в качестве методологической основы проведения автоматизированных комплексных геофизических исследований предлагается использование
статистической
модели
верхней
части
криолитозоны, на которой в равной мере отражены
состав, строение, история формирования
горных пород
и динамика их изменений под воздействием природно-техногенных процессов. В условиях гидротехнических сооружений изучение этих составляющих можно проводить в наблюдательных скважинах и межскважинном пространстве с помощью комплексного геофизического каротажа, а также по примыкающим к ним площадям геофизических съёмок. Именно они должны быть основой автоматизированной системы сбора информации и их можно считать динамическими физико-геокриологическими моделями (ФГКМ). В описание ФГКМ входят: геокриологический разрез, геометрия целевых объектов, натурные петрофизические и геокриологические характеристики, а также наблюдаемые геофизические поля. Таким образом, под
ФГКМ понимается систематизированное описание целевых объектов подлежащих обнаружению и последующей оценке в геофизических полях с заданной точностью и надёжностью.
На начальном этапе формирования ФГКМ по каждой опорной скважине последовательно при изучении состава геокриогенных пород в натурных условиях изучаются их физические свойства,
закономерности их залегания, отражаемые в комплексных геофизических полях и трансформация
полей при природно-техногенных нагрузках
. Эта операция является ключевой, хотя и затратной.
Основным предметным наполнением частных ФГКМ, кроме геологических, являются, качественные и количественные характеристики признаков деградации ММП по аномальным и комплексным геофизическим параметрам. Именно в такой последовательности, от постановки задачи до принятия решений о развитии аварийных ситуаций, частные ФГКМ могут использоваться для контроля состояния сооружений и прогноза. Принятие решений о возможной аварийной ситуации необходимо проводить путем согласования временной изменчивости частных ФГКМ по результатам автоматизированной обработки мониторинговых данных и контрольно-наблюдательной сети КИА.
Схема обработки геофизической информации по выделению всей совокупности геофизических аномалий подробно рассмотрена в работе [3] и она применима для решения геокриологических задач.
Принятие решения о возникновении неблагоприятных (аварийных) ситуаций связывается с заключительным блоком этой схемы. В этом блоке, находящемся в стадии разработки, должны располагаться частные ФГКМ и модуль спектрально-корреляционного анализа. В настоящий момент таким модулем может явиться созданный в РГГРУ модуль программного комплекса КОСКАД 3Д (авторы
Петров А.В., Никитин А.А., и др.). Модуль должен осуществлять обработку данных в автоматизированном режиме по программируемому набору отдельных алгоритмов, адаптированных к любому объему получаемых


189
Рис.1. Обобщённая схема обработки информации [3]. геофизических данных (в скважинах, межскважинном пространстве, наземным и аквальным измерениям). Основным предметным наполнением программного модуля являются корреляционные
(параметрические и непараметрические) и взаимно корреляционные оценки, определение регрессионных зависимостей, использование алгоритмов адаптивной фильтрации в различных вариантах, а также способов классификации и распознавания образов, включая интеллектуальные нейронные сети [11].
Следует добавить, что ФГКМ также могут использоваться для выбора и совершенствования комплекса геофизических методов, технологии проведения работ, совершенствования приемов обработки и интерпретации полученных результатов и оценки эффективности проведенных исследований и прогноза.
Эффективность отдельных и комплексных геофизических признаков при изучении целевых геокриологических объектов ФГКМ проводится путем оценок надёжности и энергетического отношения аномалия/ помеха.
Изложенная в кратком виде методология статистического моделирования при проведении автоматизированного геофизического мониторинга верхней части криолитозоны приводит к вероятностным оценкам возможности возникновения аварийных ситуаций в процессе эксплуатации
ГЭС.
Возможности применения этих принципов нами были опробованы на примере Светлинской ГЭС находящейся в стадии эксплуатации с 2004 г. (см. рис 2). В районе гидроузла и приплотинной части водохранилища, р. Вилюй прорезала трапповое плато, образуя узкую каньонообразную долину.
Склоновые отложения представлены были комплексом солифлюкционных, суглинисто-щебенистых и глыбовых террас, мощностью до 20 м, аллювиальные террасовые образования - суглинками, супесями, галечниками и валунами мощностью до 15 м.
Борта долины слагают коренные породы и четвертичные отложения, вовлеченные в оползневые дислокации. В основаниях сооружений и бортах долины развиты мерзлые и талые под руслом слабо-прочные мергелисто-глинистые породы, нарушенные оползневыми процессами.
Сложное геокриологическое строение показано на рис.3. где дан геокриологический разрез левобережного примыкании. В левобережной части сооружения породы в различной степени засолены и подстилаются мощной толщей пород с отрицательной температурой, которая насыщена минерализованными водами (криопэгами), гидравлически связанные


190
Рис.2. Фотография Светлинской ГЭС с уровнем р. Вилюй. Район возводимых сооружений характеризовался распространением подземных вод, которые по отношению к многолетнемерзлым породам подразделяются на надмерзлотные, подмерзлотные и воды таликовой зоны под долиной р. Вилюй. В период работ в строительном котловане, в части, прилегающей к верховой перемычке, наблюдалось вытеснение пресными водами р. Вилюй сильноминерализованных вод.
Криогенная толща имела двухъярусное строение. В верхней части многолетнемерзлые породы находились в пластичном - или твердомерзлом состоянии, в нижней - породы имели отрицательные температуры и не содержали ледяных включений. Для района характерна сплошная, сливающаяся мерзлота. Водопроницаемость грунтов в строительном котловане оценивается средним коэффициентом фильтрации 1м/сут., а отдельных прослоев известняков и доломитов до 10 м/сут..
Мы предполагали, что создание водохранилища вследствие повышений напора может привести к внедрению рассолов в вышележащие массивы по ослабленным участкам, растворению природного льда и, соответственно, деградации ММП, активизации оползневых процессов и нарушению водообмена между подземными водами и водохранилищем. Кроме того, поднятие уровня водохранилища могло сопровождаться выносом заполнителя из крупных трещин и формирования возможной сосредоточенной фильтрацией вод в обход сооружений. Определяющим фактором инженерно-геокриологических условий являлось наличие в основаниях сооружений гидроузла и бортах речной долины слабо-прочных мергелисто-глинистых пород, нарушенных оползневыми процессами, мерзлых в бортах долины и талых под руслом. Под влиянием водохранилища развивались береговые криогенные процессы, активизировались оползни, многолетнемерзлые породы (ММП) в бортах долины деградировали.
Таким образом, под влиянием сооружений гидроузла в строительный и эксплуатационный периоды предполагалось (прогнозировалось) изменение инженерно-геокриологических условий, обусловленное возможным развитием или активизацией следующих процессов:
- расширением подрусловой и формирование таликовой зоны в основаниях сооружений гидроузла “талого типа”, в ложе и бортах водохранилища - своеобразного “теплового штампа” на поверхности мерзлых пород;


191
- повышением температур мерзлых пород в прибереговой полосе водохранилища в связи с микроклиматическими изменениями и конвективным теплообменом;
Рис. 3. Инженерно-геологическое строение левобережного примыкания
Светлинской ГЭС.
- оживлением и активным развитием оползневых процессов на отдельных участках бортов водохранилища;
- выносом заполнителя из крупных трещин с возможной сосредоточенной фильтрацией по ним вод водохранилища в обход сооружений;
- изменением солевого состава, в частности, опреснение поровых растворов в оттаивающих породах;
- расширением области и степени химического обмена пресных вод водохранилища и подземных криопэгов в зонах протайки;
- изменением минерализации и химического состава воды водохранилища и нижнего бьефа, определяющим экологическую обстановку в районе.
Все перечисленные и другие процессы должны не только контролироваться в процессе эксплуатации сооружения, но и через управляющие воздействия оптимизироваться в своем развитии.
Физические свойства мёрзлых пород, развитых в верхней части криолитозоны Светлинской
ГЭС, резко различны по электрическому сопротивлению. Общие закономерности его изменения связаны с составом горных пород: более глинистые и связанные с корой выветривания имеют низкие значения до 50-200 Ом
*
м, более плотные (долериты) имеют значения сопротивления от 200 до нескольких тысяч Ом
*
м и разделяются со 100% надежностью. Пример расчленения пород по электропроводности дан на рис.4. По плотности и магнитной восприимчивости надёжность их разделения на фоне осадочных пород верхоленской и иглинской свиты в пределах 85 - 79 %% соответственно. Температурные свойства мерзлых пород варьируют в пределах 1-2 градусов, и высокоточные натурные измерения позволяли с высокой надёжностью выделять таликовые и инфильтрационные участки. Скоростные характеристики горных пород изменяются в следующих интервалах: в рыхлых горных породах от 400 до 700 м/сек., в карбонатных, разрушенных до дресвы, и суглинках от 400 м/сек. до 1500 м/сек, а в плотных известняках скорость распространения упругих волн не больше 3000 м/сек.


192
Радиоактивность пород разреза по данным гамма каротажа зависит от глинистости разреза; более глинистые разности осадочных пород разреза отмечаются величиной экспозиционной дозы до
20 мкр/час, а плотные известняки и доломиты характеризуются уровнем от 16 до 18 мкр/час, рыхлые отложения имеют фоновые значения. Практически по всем петрофизическим параметрам, надежность разделения большинства групп осадочных мерзлых пород варьирует от 60 до 80 %, что соответствует отношению аномалия/помеха от 3 до 15. При этом следует учесть, что верхняя часть криолитозоны находится в зоне гипергенеза и криогенеза, под влиянием которых кардинально изменяются физические свойства горных пород. Это позволяет предполагать наличие слабых аномалий в геофизических полях и необходимость использования для их выделения статистических приёмов обработки, реализованных в программном комплексе КОСКАД-3 Д.
Наш многолетний опыт показал, что более точные определения физических свойств криогенных пород могут быть получены только в их естественном залегании, а лабораторные дают возможность лишь ориентировочно оценить возможности применения того или иного геофизического метода.
В частности, метод георадиолокации позволяет картировать специфические системы трещин оползневого типа по нарушению корреляции осей синфазности, участки разуплотнения грунтов суффозией при направленном движении грунтовых вод, а также оценивать размеры ещё не проявленных на дневной поверхности суффозионных просадок. Несмотря на малую глубинность (до
10 м.), он обладает приоритетом в сравнении с другими геофизическими методами при решении этих и других задач.
Таким образом, в автоматизированной сети комплексного локального мониторинга ММП могут изучаться следующие геофизические параметры: температура, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, магнитная восприимчивость, плотность, радиоактивность, скорости распространения упругих волн и акустические свойства среды.
В настоящий момент с помощью контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) проводится также контроль динамики температурного режима, пьезометрических уровней и напора в плотине и в основании. Кроме того, геодезическими методами по системе марок и реперов контролируются горизонтальные смещения и осадки бетонных сооружений ГЭС, расположенных в русле, на плотине и в её основании. В частности, во время строительства по данным службы наблюдений смещение отдельных геодезических реперов в пределах створа плотины в сторону строительного котлована достигает 40 мм в год, что представляло угрозу для эксплуатации сооружений.
Для столь сложных, уникальных инженерно-геокриологических условий указанная программа
КИА системы “сооружения Светлинской ГЭС - природный комплекс”, регламентируется средними для всех гидростанций нормами СНиПа. Она не охватывает целого комплекса проблемных задач, связанных с особенностями поведения взаимодействующих природной и техногенной подсистем в условиях ММП. Существующая стандартная система контроля и мониторинга ГЭС только отчасти справляется с поставленной задачей, поскольку она в основном направлена на контроль состояния самих сооружений.
В этой связи, для улучшения качества прогноза аварийных ситуаций по нашему мнению, на
Светлинской ГЭС необходимо создать опорные сети наблюдательных скважин для проведения геофизических наблюдений, оборудованные контрольно-измерительной аппаратурой, создать наземные опорные профили, которые в частных ФГКМ должны использоваться для решения следующих задач:
1. Уточнение блоково-оползневой тектоники примыканий (вмещающих береговых массивов и головной части сооружения).
2. Изучение потенциально фильтрующихся горных пород (скважинные и межскважинные режимные и наземные наблюдения).
3. Исследование положения фазовых границ вмещающих пород верхней части криолитозоны в динамике по геофизическим характеристикам.
4. Изучение изменчивости свойств геокриогенного разреза под воздействием природно- техногенных нагрузок на частных ФГКМ с помощью корреляционно-спектрального анализа.
5. Разработка критериев оценки состояния ГЭС на основе изучения мониторинговых ФГКМ с вероятностными оценками прогноза.


193
Все эти процессы должны изучаться и контролироваться, как в процессе строительства, так и при эксплуатации сооружения.
В состав необходимого автоматизированного наблюдательного комплекса должен входить ряд интеллектуальных систем сбора информации.
1. Электрометрическая система с сетью постоянно заземленных приемно-измерительных электродов для отслеживания геоэлектрических ситуаций, связанных с развитием фильтрационных потоков и возможным образованием новых путей обходной фильтрации за счет выявления динамических зон по данным режимных измерений.
2. Скважинные логгерные измерительные системы, способные в автономном режиме проводить сеансы одновременных температурных, пьезометрических и резистивиметрических измерений с заданным интервалом времени между сеансами от 1 минуты до нескольких суток с передачей информации по спутниковым каналам.
3. Аппаратура межскважинного радиоволнового просвечивания для выявления и локализации областей возникновения обходной фильтрации.
4.Электрометрические измерения в наземном и аквальном вариантах.
5. Сейсмометрические, георадарные (профильные и площадные) съёмки.
Таким образом, можно получать оперативный материал о динамике изменения физических свойств и параметров изучаемых грунтов и пород, и контролировать возникновение и характер водообмена вод водохранилища с криопэгами.
Отдельные элементы и методы предлагаемого комплекса были опробованы на территории головных сооружений Светлинской ГЭС и других объектах КВГЭС-1 и в основаниях шахтных копров компании АЛРОСА.
Однако требуется существенное улучшение операций по сбору, хранению, проведению информационной и аналитической обработки статистически представительных натурных геокриологических и климатических характеристик состояния горных пород в пределах водохранилища, береговых примыканий и плотины. Элементы автоматизированной системы мониторинга должны включать:
- систему многоточечных температурных, пьезометрических и резистивиметрических измерений;
- установку для электрической томографии зон фильтрации межскважинного пространства;
- систему наблюдений и обработки комплексных скважинных измерений, связанных с блоком принятия решений;
- комплекс георадиолокационного профилирования и зондирования.
Приведем некоторые материалы, показывающие возможности использования развиваемых нами принципов проведения мониторинга.
По результатам режимных наблюдений методом ИК определяется существенная дифференциация оползневых блоков по электропроводности, которая в условиях изучаемого разреза коррелируется с состоянием (талые-мерзлые) горных пород (см.рис.5). Кроме того, удаётся выявлять в скважинном разрезе наиболее ослабленные, с точки зрения механической прочности, объемы горных пород, характеризующихся повышенной минерализацией и, как следствие этого, повышенной электропроводностью.
Устанавливаются чёткие обратные корреляционные зависимости между кривыми ГК и ГКП и резкая дифференциация пород разреза по данным КМВ, динамика изменений которых во времени может привести к получению дополнительной информации.
С помощью логгерных приборов и измерений с заданным интервалом времени в пьезометрических скважинах возможно, с помощью температуры, контроля динамики пьезометрического уровня и засоленности воды (с помощью резистивиметрии).
Пример такого замера по скважине правобережной плотины представлен на рис.6.


194
Рис.5. Пример контроля за положением талых зон с помощью электрокаротажа (ВИК, ВДК)
Рис.6. Пример контроля динамики уровня воды и засоленности с помощью автоматизированных логгерных измерений по скважине ПС-5.


195
Из примера следует, что применяемая аппаратура и методика работ дают уникальную возможность своевременного отслеживания подобных процессов. А именно мы видим момент появления засоленного ореола в интервале скважины, который наблюдается в течение суток, а затем уровень засоленности восстанавливается. То есть, если бы мы не имели возможности проводить непрерывные измерения, то этот процесс можно было упустить. Следует отметить, что зафиксированный процесс изменения засоленности был связан с цементационными работами вблизи наблюдательной скважины, т.е. являлся следствием начала негативных процессов взаимодействия криопэгов (или внутримерзлотных минерализованных вод) с водохранилищем.
Результаты режимных геофизических измерений, выполненных в течение 2-х лет по одной из наблюдательных скважин, показали, что изменчивость геоэлектрического разреза во времени различна и по глубине неодинакова. На фоне стабильных данных гамма каротажа (ГК), гамма-гамма плотностного каротажа (ГГКП) и каротажа магнитной восприимчивости (КМВ) изменение электропроводности обнаруживается на глубине существенно ниже глубины годовых колебаний температур, что в общем случае должно быть отнесено к изменениям, определяемым техногенными воздействиями. Анализ имеющихся материалов индукционного каротажа дает основание для фиксирования положения границ обводненных минерализованных горизонтов, выделяемых аномалиями повышенной электропроводности. Этот факт весьма важен для контроля состояния пород слагающих береговые массивы гидроузла, как в процессе строительства, так и при дальнейшей его эксплуатации.
Результаты работ методами электротомографии дали возможность установить четкое местоположение зоны, которая выделяется практически детерминированными аномалиями с энергетическими отношениями аномалия/помеха свыше 25, при надёжности 99%. Повторные измерения на прилегающих к ФГКМ наземных профилях позволят оценивать динамику зон развития фильтрации и в частных моделях на скважинах при окончательном запуске в работу автоматизированной системы (см.рис.7).
Рис.7. Светлинская ГЭС. Результаты электротомографии.
Авторы считают, что дальнейшее совершенствование возможностей комплекса геофизических методов и развитие автоматизированных измерений в пределах создаваемых и эксплуатируемых ГЭС в криолитозоне, возможно только на основе предлагаемой статистической методологии мониторинга для изучения динамики деградации ММП на натурных физико- геокриологических моделях. Полное извлечение всей имеющейся информации в комплексных геофизических полях при проведении автоматизированного мониторинга может быть достигнуто путём оперативного корреляционно-спектрального анализа данных.


196
Изучение тонкой структуры меняющихся во времени геофизических полей при природно- техногенных нагрузках существенно расширит число целевых геокриологических задач для оперативного контроля и прогноза состояния сооружений.
Предлагаемые принципы ведения автоматизированных мониторинговых геофизических измерений могут быть положены в основу слежения за состоянием горнотехнических сооружений
Якутской алмазоносной провинции.
Литература
1. Великин С. А. Особенности геофизического мониторинга ГТС в криолитозоне /Наука и образование
2012, №4. - с. 29-34 2. Великин С.А., Возможности использования геофизических методов при изучении состояния гидротехнического сооружения в криолитозоне на примере накопителя минерализованных вод Тымтайдах.
//Журнал Инженерные изыскания 2013. №9 - С. 52-59 3. Великин С.А., Демура Г.В.. Основные принципы автоматизированного геофизического мониторинга/Геофизика, 2010, № 3,- с.8-25 4. Зыков Ю.Д. Геофизические методы исследований криолитозоны. – М.: Изд-во МГУ, 2007. – 207 с.
5. Климовский И.В., Готовцев С.П. Криолитозона Якутской алмазоносной провинции. – Новосибирск:
Наука, 1994. – 168 с.
6. Комплексирование методов разведочной геофизики: справочник геофизика/ под ред. В.В.
Бородового, А.А. Никитина. – М.: Недра, 1984. – 384 с.
7. Ревзон А.Л. Картографирование состояний геотехнических систем. М.: Недра, 1992 – 223 с.
8. Шестернев Д.М. Геокриология СССР. Горные страны Юга СССР. М.: Недра, 1969. - 358 с.
9. Шестернев Д.М. Основные принципы организации геокриологического мониторинга линейных сооружений
(На примере железной дороги
Беркакит-Томмот-Якутск)//Проблемы инженерного мерзлотоведения: материалы IX Международного симпозиума/ Якутск: изд-во Институт мерзлотоведения им.
П.И. Мельникова СО РАН, 2011. – с. 253-260 10. Якупов В.С. Исследование мерзлых толщ методами геофизики. – Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2000. –
336 с.
11. Никитин А.А. Теоретические основы обработки геофизической информации. Учеб. для вузов. - М.:
Недра, 1986. - 342 с. статистического и спектрально-корреляционного анализа геоданных

Каталог: pluginfile.php
pluginfile.php -> Геологическое доизучение масштаба 1: 200 000 в юго-западной части Сибирской платформы на Подкаменно-Тунгусской площади
pluginfile.php -> Геомагнитное поле, его природа и история
pluginfile.php -> Рабочая программа учебной дисциплины в. Од. 3 Ландшафтоведение
pluginfile.php -> Конспект по данной теме. Задания для самостоятельной работы студентов : умк по «Экономике организации»
pluginfile.php -> Программа дисциплины «Международная стандартизация управления документацией»
pluginfile.php -> Дисциплина: «Философские вопросы естествознания» Количество часов: 72 ч в том числе: лекции 28, самостоятельная работа
pluginfile.php -> Шпаргалка по географии для ент
pluginfile.php -> Лекция №2 Энергетические ресурсы Земли и их использование Под


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©geo.ekonoom.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница