Сейсмотомографические исследования грунтов при инженерно-геологических изысканиях
Б. А. Канарейкин, А. Г. Прихода, О. М. Сагайдачная, В. В. Щербаков
В целях обеспечения экологической безопасности крупных техногенных объектов актуально 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, оценка трещиноватости и (или) закарстованности пород, картирование водоносных и водоупорных образований и т. д. Известно, что сейсмические методы исследований земной коры и поиска полезных ископаемых широко используются при изучении грунтов для решения задач инженерной геофизики, что обеспечивает надежное обнаружение границ раздела, различающихся по упругим параметрам. Более того, можно повторно выполнить сейсмические наблюдения, провести сейсмомониторинг за состоянием грунтов, наличием и развитием эрозионного процесса в толще грунтов и на поверхности, за деформациями насыпных инженерных сооружений.
В настоящей работе описывается технология детальных сейсмических исследований для инженерно-геологических изысканий, обеспечивающая:
оценку физико-механических свойств геологического разреза, включающего насыпные сооружения, в т. ч. оценку влажности грунтов;
выявление локальных участков разуплотнения грунтов;
определение контуров подземных гидротехнических сооружений;
оценку заполнения цементом пустотного пространства.
Основными элементами предлагаемой технологии детальных сейсмических исследований при обследовании грунтов техногенных объектов являются:
многоканальная портативная сейсмостанция, обеспечивающая широкодиапазонную и широкополосную регистрацию упругих колебаний;
многокомпонентная регистрация волн разной поляризации (продольных и поперечных) по методике многократных наблюдений с комплексированием систем наблюдений Z-z. и Y-y;
сейсмотомографическая обработка многокомпонентных данных.
Данная технология детальных сейсмических исследований с мобильной многоканальной сейсмостанцией была опробована при обследовании малых гидротехнических сооружений Новосибирской области на Шипу-новской и Карасевской плотинах в летний период. Ши-пуновское и Карасевское водохранилища расположены в пределах западной ветви Салаирского кряжа в 30 км севернее Барнаульской шовной зоны, включающей активно живущий глубинный разлом. Барнаульский разлом и прилегающие территории относятся по сейсмоопасно-сти к 8-балльной зоне (по Карте общего сейсмического районирования Российской Федерации ОСР-97-С, под ред. акад. В. Н. Страхова и проф. В. И. Уломова, ОИФЗ, 1999). Проведение работ с оценкой состояния насыпных дамб водохранилищ, находящихся в районах с повышенной балльностью, особенно целесообразно с позиции обеспечения экологической безопасности.
Общая характеристика исследуемых малых гидротехнических сооружений
Шипуновское водохранилище расположено вблизи п. Шипуново Сузунского района Новосибирской области. Дамба водохранилища имеет длину около 200 м и перекрывает русло и пойму р. Холодная. Высота насыпной дамбы в пределах русловой части - около 15м. Глубина водохранилища в период проведения полевых работ составила примерно 12 м. Расстояние от уровня воды в водохранилище до гребня дамбы по вертикали равнялось 5 м, ширина гребня плотины -5м, ширина основания дамбы - около 60...80 м. В центральной части дамбы имеется донный водоспуск. В верхней части дамбы над водопропускным устройством располагается шесть водосбросных труб диаметром 1,5 м, по которым происходит сброс воды в периоды переполнения водохранилища. Насыпные грунты дамбы с поверхности представлены суглинками, состав грунтов глубинных частей дамбы неизвестен. В пределах нижнего откоса плотины имели место провалы грунтов в местах проекции водосбросных труб на земную поверхность.
Карасевское водохранилище расположено вблизи п. Карасево Черепановского района Новосибирской области. Дамба водохранилища имеет длину около 250 м и перекрывает русло и пойму р. Арапиха. Высота насыпной дамбы в пределах русловой части составляет около 6 м. Ширина гребня плотины равна 10 м, ширина основания дамбы - около 40 м. В центральной части дамбы имеется водопропускное устройство, состоящее из шести водосбросных труб диаметром 1,5 м. Насыпные грунты дамбы с поверхности представлены суглинками. Имели место неоднократные прорывы дамбы в пределах нижнего откоса. В плане участки прорыва располагались на боковых участках водосбросных труб и под основанием гидротехнического сооружения. В период проведения полевых работ водохранилище было спущено.
Специфические условия (обводненность территории) проведения детальных сейсмических исследований при отсутствии рабочих чертежей плотин потребовали выполнения высокоточных геодезических работ, включая топографическую съемку плотин.
Полевые сейсмические работы проводились с 24-разрядной отечественной телеметрической сейсмостанци-ей СТС-24Р в варианте автономной регистрирующей системы (АРС, до 120 каналов), конструктивно размещенной на транспортной базе автомобиля типа УАЗ [3]. Станция обеспечивает прецизионную широкополосную и широкодиапазонную регистрацию упругих колебаний в реальном времени, ее основные технические характеристики следующие:
частота дискретизации - 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0;16,0 мс;
мгновенный динамический диапазон - более 120 дБ;
коэффициент нелинейных искажений - менее 0,002%;
потребляемая мощность на канал - менее 0,33 Вт;
максимальная длительность регистрации - практически не ограничена;
число накоплений - практически не ограничено;
отметка момента - от пьезодатчика;
диапазон рабочих температур - от -40 до 60 °С.
Полевые работы были выполнены по методике многокрагных наблюдений с использованием продольных и поперечных профилей. Расстояния между пунктами возбуждения упругих колебаний составляли до 1 м, такие же расстояния были и между пунктами приема упругих колебаний. На Шипуновском водохранилище сейсмические наблюдения выполнены по системе профилей, проложенных в средней части дамбы: десять профилей располагались параллельно оси дамбы на расстоянии друг от друга примерно 4 м, два профиля -поперек дамбы на расстоянии 1,5 м от крайних водосбросных труб. Система сейсмических профилей на Карасевском водохранилище также располагалась в средней части дамбы: четыре продольных профиля - параллельно оси дамбы на расстоянии друг от друга примерно 10 м, шесть поперечных профилей - поперек дамбы на расстоянии примерно 6 м друг от друга.
В системе возбуждения - прием Z-z упругие колебания регистрировались на открытом канале одиночными вертикальными сейсмоприемниками (в проведенных работах использовались геофоны GX20DX), а возбуждение упругих колебаний осуществлялось вертикально направленным ударом специального устройства массой до 6 кг. В системе возбуждения - прием Y-y регистрация колебаний проводилась одиночными горизонтальными сейсмоприемниками (использовались геофоны СГ-10), ориентированными поперек профиля наблюдений. Источник возбуждения - горизонтальный удар по металлической пластине, сцепленной с грунтом, ориентированной поперек профиля наблюдений.
Обработка сейсмической информации проведена в интерактивном режиме в сиc теме Windows XP. Первичная обработка сейсмических материалов заключалась в построении для каждого профиля системы годографов волн, регистрируемых в первых вступлениях, прежде всего годографов продольных рефрагированных волн при наблюдениях по системе Z-z и годографов поперечных (типа SH) рефрагированных волн при наблюдениях по системе Y-y. Сейсмотомогра-фические преобразования выполнены после ввода кинематических и фазовых поправок, включая корректировку фазы, обусловленной изменением преобладающей частоты регистрируемых упругих колебаний в зависимости от расстояния возбуждения - прием. В программном сейсмотомографическом комплексе (автор В. Н. Курбатский) реализован алгоритмический аппарат лучевой сейсмотомографии, обеспечивающий в автоматическом режиме итерационный подбор скоростной модели среды при выполнении условия минимизации разности времен между наблюденными и теоретическими годографами во всех точках наблюдения. Общее решение задачи сводится к решению системы линейных уравнений с большим количеством неизвестных, которое достигается способом алгебраической реконструкции [1].
По системе наблюдений Z-z сейсмотомографический разрез среды восстанавливается по значениям скорости распространения продольных волн (V), а по системе наблюдений Y-y - по значениям скорости распространения поперечных волн (Vs) (рис. 1). Полученные сведения о значениях скоростей Vp и Vs позволяют получить сей-смотомографический разрез по параметру у = VS/Vp ,который с высокой достоверностью характеризует степень водонасыщенности грунтов [2, 4]. С учетом априорно установленных корреляционных связей между скоростями распространения упругих волн Vp и Vsфизико-механическими свойствами грунтов могут быть построены томографические разрезы и по другим параметрам (плотность, модуль деформации, сцепление и др.).
В результате интерпретации сейсмических материалов были построены сейсмофизические модели насыпных гидротехнических сооружений: земляного полотна Шипуновского водохранилища и дамбы Карасевского водохранилища.
Модель Шипуновского водохранилища имеет пя-тислойное строение (рис. 2). Рельеф поверхности коренных пород в пределах насыпной плотины изменяется от отметок 72 м до 84 м (рис. 3). Пониженные отметки рельефа локализуются в две достаточно узкие извилистые зоны, из которых западная может быть отождествлена с захороненным руслом р. Холодная. Сейс-мотомографические разрезы, полученные по параметру у, показали, что с увеличением глубины значения у постепенно уменьшаются до 0,25, которые свойственны полностью водонасыщенным грунтам. Наблюдаемая аномалия отношения у = 0,25 совпадает с захороненным руслом. В пределах низового откоса плотины выделяется ряд локальных зон с распространением рыхлых разуплотненных грунтов (V < 200 м/с), среди которых наиболее значительной является зона над водосбросными трубами по профилям 5-9. Именно на этом участке (между 8 и 9 профилями) фиксируются провалы. Таким образом, на этом участке фиксируется и древнее русло р. Холодная, и локальное понижение уровня грунтовых вод. Совпадение в плане просадки плотины и провалов грунта с захороненным руслом логично объяснить повышенной фильтрацией (стоком) воды в пределах этого канала. При этом идет процесс интенсивного вымывания частиц, и в первую очередь мелких фракций, в результате которого и появляются наблюдаемые провалы грунта на поверхности земляной насыпи. В целом потенциально опасным участком в отношении возможного прорыва Шипуновской плотины является зона повышенной фильтрации грунтовых вод в верхней части водонасышенных грунтов, которая в основном контролируется захороненным руслом р. Холодная.
Рис. 2. Сейсмофизическая модель земляного полотна плотины Шипуновского водохранилища по профилю 12: 1 - граница уровня грунтовых вод; 2 - разуплотненные сухие грунты; 3 - плотные влажные грунты; 4 - коренные породы; 5 - умеренно плотные грунты; 6 - водоносные грунты
Рис. 3. Схема рельефа поверхности коренных пород в районе плотины Шипуновского водохранилища, построенная по материалам сейсмотомографических исследований:
1 - водозамерный колодец
Сейсмические исследования, выполненные на дамбе Карасевского водохранилища, в той же степени позволили оценить физико-механические характеристики грунтов в окрестности малого гидротехнического сооружения и выявить в них аномальные зоны. Установлена область резкого разуплотнения приповерхностных грунтов на низовом откосе дамбы над водосбросными трубами, в пределах которой наблюдаются провалы в грунтах. Определены особенности поведения поверхности во-донасыщенных грунтов в пределах земляного тела плотины, в рельефе которой прослежены локальные каналы с повышенной фильтрацией грунтовых вод. В рельефе поверхности коренных пород обнаружена зона повышенной фильтрации подземных вод из водонапорной зоны Карасевского водохранилища, которую с учетом ее конфигурации можно трактовать как захороненное русло р. Арапиха. На сейсмотомографических разрезах по профилям, освещающим особенности фунтов над водосбросными трубами Карасевского водохранилища, фиксируется высокоскоростная аномалия (К до 2000 м/с), которая отображает зацементированные участки земляной насыпи.
На Карасевском водохранилище были выполнены также специальные площадные наблюдения на поверхности низового откоса для оценки состояния грунтов в околотрубном пространстве после ремонтных цементаж-ных работ с возбуждением упругих колебаний 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. Второй участок относительно повышенных значений (Vp до 800 м/с) на всех профилях фиксируется в нижней части откоса, что также можно объяснить цементацией затрубного пространства. Скоростная аномалия здесь имеет сквозное распространение и выходит на земную поверхность. Именно на этом участке при инъектировании цемента наблюдался его прорыв на поверхность. На участке между этими двумя высокоскоростными зонами в околотрубном пространстве отмечается аномальная низкоскоростная зона (Vp = 140 м/с...220 м/с). Данную зону можно отождествить с областью сильно разуплотненных, рых лых грунтов, которая была не ликвидирована при ремонтных работах. Не исключено, что именно через эту зону может произойти прорыв дамбы при высоком уровне заполнения Карасевского водохранилища.
Рис.4. Сейсмотомографические разрезы околотрубного пространства на дамбе Карасевского водохранилища после укрепления ее цементным раствором
Основные выводы и рекомендации
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения сейсмотомографического способа для выявления локальных зон обводненности и разуплотнения в насыпных грунтах и подстилающих коренных породах, которые могут провоцировать аварийные ситуации в окрестности малых гидротехнических сооружений. Организация возбуждения упругих колебаний во внутренних частях гидротехнического сооружения, например внутри водосбросных труб, позволяет контролировать состояние грунтов в околотрубном пространстве, а также качество заполнения цементом пустотного пространства после выполнения соответствующих профилактических и ремонтных работ.
Размер выявляемых локальных неоднородностей в грунтах с использованием способа лучевой сейсмото-мографии определяется плотностью расположения профилей и плотностью наблюдений по каждому из профилей. Для большинства естественных и насыпных грунтов при расстановке сейсмоприемников с шагом до 1 м и таком же шаге пунктов возбуждения упругих колебаний возможно выделение скоростных и (или) плотностных аномалий размерами до 2 м в диаметре при наблюдениях на земной поверхности и до 1 м при наблюдениях по типу просвечивания. Частота записи упругих колебаний при регистрации вертикальной компоненты должна быть не менее 80 Гц, и такой спектральный состав возбуждаемых колебаний при инженерных работах на плотинах достигается. При наблюдениях на земной поверхности частота записи равна, как правило, 100 Гц, при наблюдениях по типу просвечивания частота записи повышается до 150 Гц и более. Выявление более мелких неоднородностей (менее 1 м) возможно с использованием систем наблюдений с уменьшением расстояния между сейсмоприемниками и между пунктами возбуждения упругих колебаний до 0,5 м. Регистрация упругих колебаний в этом случае выполняется с интервалом дискретизации не более 0,25 мс.
Определение контура подземных гидротехнических сооружений или каких-либо отдельных элементов этих сооружений также может решаться с применением сейсмического метода. Технология полевых работ, в т. ч. регистрирующая сейсмическая станция и системы наблюдения упругих колебаний, для решений таких задач остается прежней, но интерпретация волнового поля с позиций сейсмотомографии будет дополняться использованием методов инверсии высокочастотного волнового поля отраженных и преломленных волн.
Список литературы
1. Канарейкин Б. А., Курбатский В. Н., Ким А. Ф., 1993, Опыт использования сейсмотомографии 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, Многоканальная отечественная сейсмотелеметрическая станция СТС-24Р: Геофизический вестник, 12.
4. Пузырев Н. Н., 1992, Методы сейсмических исследований: Новосибирск, Наука.