Статья: Сейсмотомографические исследования грунтов при инженерно-геологических изысканиях

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.