Воскресенье, 19.11.2017, 22:28
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Естественные науки

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРЕДЕЛАХ УЧАСТКА ДЕФОРМАЦИЙ АВТОДОРОГИ, ПОСТРОЕННОЙ НА МЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ

В.В.Оленченко, В.Г.Кондратьев

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРЕДЕЛАХ УЧАСТКА ДЕФОРМАЦИЙ АВТОДОРОГИ, ПОСТРОЕННОЙ НА МЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ

В результате исследований методом электротомографии установлены причины деформаций дорожного полотна, определена мощность многолетнемерзлых пород, оконтурены чаши протаивания. Показано, что бурение скважин без учета геофизических данных приводит к ошибкам в понимании геокриологической обстановки.

Ключевые слова: автодорога, многолетнемерзлые породы, чаша протаивания, электротомография.

 

Эксплуатация автодорог, построенных на мерзлом основании, отличается высокой капиталоемкостью, связанной с постоянно возникающими деформациями дорожного полотна, требующими восстановительных работ и разработки мер по стабилизации мерзлотной обстановки [4]. Эффективность разрабатываемых мер будет зависеть от качества проведенных изысканий. Нередко подрядные организации, выполняющие изыскания, для построения инженерно- геокриологической модели участка деформаций ограничиваются только результатами бурения. В этом случае, точечное бурение в сложных инженерно-геокриологических условиях не в полной мере отражает реальную обстановку, а разработанные на основе таких моделей мероприятия по стабилизации дорожного полотна, будут не эффективными.

Для получения целостного представления об инженерно-геологическом строении участка деформаций необходимо проведение геофизических исследований, включающих не единичные точки или профили зондирований, а полноценные площадные исследования. Затем, с учетом геофизических данных, следует намечать бурение скважин. Однако эта, казалось бы, очевидная стадийность изысканий зачастую не выполняется и геофизические исследования проводятся после буровых работ, что снижает качество изысканий в целом.

В практике инженерных изысканий для решения геокриологических задач из геофизических методов применяются в основном методы электроразведки [2; 3; 5], что связано с контрастностью мерзлых и талых пород по удельному электрическому сопротивлению (УЭС). Наиболее распространенными методами являются метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и электропрофилирование в различных модификациях. В последнее время на смену классическому методу ВЭЗ пришел метод электротомографии [1; 7; 8], который показал высокую эффективность при изучении криолитозоны [6; 9; 10].

Мы применили технологию электротомографии (ЭТ) для изучения геокриологической обстановки на участке реконструкции 5 км подъезда от федеральной трассы «Амур» к пос. Песчанка и г. Чита в Забайкальском крае.

Обследуемый участок автодороги подвержен просадкам и оползневым деформациям, происходящим практически с начала эксплуатации в 80-х гг. XX в. В 1998 и в 2006 гг. в пределах деформированного участка дороги проводились инженерно-геологические изыскания, включающие и геофизические исследования. Однако сложность объекта исследований, несовершенные технологии электрических зондирований тех лет и малый объем работ стали причиной низкой информативности геофизических исследований.

Настоящие исследования выполнены с применением современной технологии электротомографии, включающей многоэлектродные измерения с применением современной аппаратуры и программного обеспечения для автоматической двумерной и трехмерной инверсии электроразведочных данных.

Основными задачами исследований являлись картирование областей распространения многолетнемерзлой толщи, определение глубины залегания кровли и установление мощности мерзлых пород, выделение таликовых зон, оценка строения оползневых массивов, картирование чаш протаивания под дорожным полотном и определение их размеров.

Характеристика участка работ

Участок реконструкции автомобильной дороги проходит по левому борту руч. Песчанка, по склону северной, северо-западной экспозиции. В геоморфологическом отношении местность пересеченная, рельеф низкогорный, превышение высот составляет 94 м. Абсолютные значения высот проезжей части составляют 684,78-778,72 м. В геологическом строении принимают участие аллювиальные, делювиально-элювиальные и элювиальные отложения четвертичного возраста, подстилаемые нижнепалеозойскими образованиями - разнозернистыми гранитами. Элювий представлен песками, супесями, суглинками, глинами и наследует гранулометрический состав исходных пород мелового возраста - песчаников, алевролитов и аргиллитов.

Район работ относится к островному типу распространения многолетнемерзлой толщи (ММТ). Многолетняя мерзлота сливающегося и несливающегося типов. Верхняя граница ММТ подсечена бурением в интервале глубин 3,9-11,2 м. Нижняя граница ММТ до глубины 15 м не подсечена.

В пределах участка исследований дорожное полотно подвержено просадкам и оползневым деформациям, происходящими практически с начала эксплуатации в 80-х гг. XX в. Совокупная протяженность участков деформации автодороги составляет около 500 м.

При визуальном осмотре участка работ установлено следующее. Автодорога пересекает область развития древнего оползня. С нагорной стороны трассы геоморфологические признаки оползня («пьяный» лес оползневые ступени, мочажины с застойными водами) прослеживаются на расстояние до 500-1000 м. Судя по небольшой высоте оползневых ступеней (от 0,5 до 2,0 м) смещение оползневых масс происходит по кровле многолетнемерзлых пород. Отсутствие характерных трещин отрыва позволяет отнести древний оползень к пластичному типу.
 
Нарушение гидрогеологического режима и теплового баланса в процессе строительства и эксплуатации автодороги привело к интенсификации оползневых процессов и возникновению современных оползней. С нагорной стороны автодороги сформировались отчетливо выраженные оползневые цирки с концентрическими трещинами отрыва. Смещение масс по трещинам отрыва достигает амплитуды 1,5 м. С подгорной стороны автодороги, в пойме руч. Песчанка, сформировался оползневый язык.

Методика исследований

На площади исследований было выделено два участка работ - Восточный и Западный. На участке Восточный была разбита сеть из 12 профилей длиной по 475 м. На участке Западный выполнена съемка на 10 профилях по 355 м. Расстояние между профилями составляло 25 м. Профили располагались вкрест простирания автодороги. Длина профилей обусловлена размерами объектов исследований, установленных по дешифрированию космоснимков, и необходимостью получения референтных данных о геоэлектрическом строении массива горных пород за пределами оползней и в естественных условиях залегания многолетнемерзлой толщи.

При работах методом электротомографии применялась многоэлектродная аппаратура «Скала-48». Шаг измерений по профилю (расстояние между электродами) составлял 5 м. Последовательность подключения электродов соответствовала симметричной установке Шлюмберже с максимальным разносом питающей линии АВ, равным 235 м. Для наращивания длины профиля применялся способ «нагоняющей» (roll along). При этом первый сегмент косы (24 канала) перемещается на продолжение профиля.

Двумерная инверсия данных выполнялась при помощи программы RES2Dinv (Geotomo Software, Малайзия). Использовался робастный метод инверсии. Двумерные массивы данных по профилям преобразовывались в трехмерный куб данных для каждого участка работ, после чего выполнялась трехмерная инверсия с помощью программы RES3Dinv (Geotomo Software, Малайзия). По результатам 3-D инверсии строились объемные модели распределения УЭС в среде, по которым выполнялись погоризонтные срезы для построения карт УЭС на разных глубинах.

Результаты исследований

На рис. 1 показан геоэлектрический разрез через участок деформации дорожного полотна по профилю V. На разрезе выделяются комплексы пород высокого (более 200 Ом • м) и низкого (менее 50 Ом•м) электросопротивления. Породы с высоким УЭС интерпретируются как многолетнемерзлые. Их мощность оценивается в 25-30 м.

 

Рис. 1. Геоэлектрический разрез по профилю № V: 1 - чаша протаивания под автодорогой; 2 - многолетнемерзлые породы; 3 - подрусловой талик руч. Песчанка

Профиль № V проходит через скважину 318 расположенную в 7 м к западу от линии профиля. Скважина была пробурена в апреле и вскрыла на глубину 10 м сливающиеся сезонно- и многолетнемерзлые породы. По данным бурения создается впечатление, что весь разрез находится в мерзлом состоянии.

Однако, на разрезе сопротивлений видно, что проекция скважины на профиль попадает в резко градиентную зону УЭС. То есть, смещение положения скважины на первые метры в лево или право по профилю дало бы разные геокриологические разрезы. Если бы скважина была заложена с другой стороны дороги, то она бы вскрыла грунты низкого УЭС, находящиеся в талом состоянии. То есть конфигурацию чаши протаивания под автодорогой по данным бурения определить проблематично. В интервале ПК 100-160 профиля № V в разрезе выделяется интенсивная аномалия высокого сопротивления. Здесь профиль проходит по тальвегу долины ручья, заболоченному и заросшему ерником. Аномалия высокого УЭС в разрезе вызвана многолетнемерзлыми грунтами высокой льдистости и низкой температурой.

Ниже дороги на склоне (интервал 300-370 м) развиты оползневые ступени (не показаны в масштабе рисунка). На геоэлектрическом разрезе видно, что поверхностью скольжения является кровля пород высокого УЭС.
 

Рис. 2. Карта распределения УЭС на глубине 10 м: 1, 2 - чаши протаивания в основании дорожного полотна; 3 - талик в зоне выхода подземных вод на поверхность (ключ)

На рис. 2 показана карта изолиний УЭС на глубине 10 м. Области повышенного УЭС (100-500 Ом•м) соответствуют многолетнемерзлым породам. Карта характеризует неоднородное строение мерзлой толщи с многочисленными таликами.

В пределах дорожного полотна локализуются четыре аномалии низкого (до 12 Ом•м) сопротивления. Две на Западном (профили IV—V, VI11—IX) и 2 на Восточном (профили V-VI, VI11—IX) участке. Аномалии не вскрыты бурением. Инженерно-геологические скважины попадают в основном в краевые части аномалий. Природа этих аномалий, скорее всего, связана с процессами деградации много- летнемерзлой толщи в основании насыпи. Ожидается, что контуры аномалий повторяют контуры чаш оттаивания в основании автодороги.

С нагорной стороны вдоль автодороги прослеживается линейно вытянутая зона пониженного УЭС. На местности она совпадает со старой разрушенной дренажной канавой. Через эту канаву происходит инфильтрация атмосферных осадков и поверхностного стока в массив горных пород, что провоцирует деградацию ММТ. На профиле VII картируется локальная линейно вытянутая аномалия низкого сопротивления. В этой области на поверхности наблюдается выход подземных вод в виде ключа, таким образом, выявленная аномалия УЭС связана с таликовой зоной в области разгрузки подземных вод.

Профили IX—XII участка Восточный пересекают линейную зону низких УЭС. Эта аномалия связана с талой зоной, одной из структур оползня. Аномалия повышенного УЭС на профилях IV—VI соответствует высокольдистым мерзлым породам в тальвеге долины ручья.

В окончании профилей участка Восточный линейная структура повышенной проводимости связана с подрусловым таликом руч. Песчанка. Окончание профилей I-X участка Западный также картирует талую зону в прибрежной части искусственного водоема.

Таки образом, в результате геофизических исследований установлено, что деформации автодорожного полотна связаны с образованием чаш протаивания (термокарста) в основании дороги. Термокарст образуется в результате вытаивания высокольдистых грунтов, встреченных в некоторых скважинах. Оползневые структуры, развитые в пределах участка исследований, представляют собой пластичные оползни по кровле многолетнемерзлых пород. Глубина заложения таких оползней соответствует глубине сезонного оттаивания (2-2,5 м).

Инженерно-геологические скважины, пробуренные без учета геофизических данных, не вскрывают ни одну из аномалий, связанных с чашами протаивания. Следовательно, разрезы построенные по данным бурения, не соответствуют реальной геокриологической обстановки.

Карта распределения УЭС, построенная по результатам площадных исследований, отражает особенности геокриологического строения территории, включая влияние локальных факторов на строение ММТ.

Библиографический список

1. Бобачев А.А. Двумерная электроразведка методом сопротивлений и вызванной поляризации: аппаратура, методики, программное обеспечение / А.А. Бобачев, А.А. Горбунов // Разведка и охрана недр. - 2005. - № 12. - С. 52-54.
2. Боголюбов А.Н. Рекомендации по комплексированию геофизических методов при мерзлотной съемке. ПНИИИС / А.Н. Боголюбов, Н.П. Боголюбова, Е.Я. Мозганова. - М. : Стройиздат, 1987. - 86 с.
3. Зыков Ю.Д. Геофизические методы исследования криолитозоны : учебник / Ю.Д. Зыков. - М. : Моск. ун-т, 2007. - 272 с.
4. Исаков В.А. Влияние криогенных процессов на устойчивость автомобильных и железных дорог : дис. ... канд. геогр. наук : 25.00.31. - М. : МГУ, 2016. - 155 с.
5. СП 11-105-97. «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. VI. Правила производства геофизических исследований» / Госстрой России. - М. : ПНИИИС Госстроя России, 2004.
6. Северский Э.В. Влияние локальных факторов на распространение толщи мерзлых пород перевала Жосалыкезень (Северный Тянь-Шань) / Э.В. Северский, В.В. Оленченко, А.П. Горбунов // Криосфера Земли. - 2014. - Т. 18. №. 4. - С. 13-22.
7. Dahlin T. A Numerical Comparison of 2D Resistivity Imaging with Ten Electrode Arrays / Т. Dahlin, B. Zhou // Geophysical Prospecting. - 2004. - № 52. - Р. 379-398.
8. Loke M.H. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys / M.H. Loke. - 2009. - 144 p.
9. Hauck C. Applied geophysics in periglacial environments / С. Hauck [et al.]. - Cambridge : Cambridge University Press, 2008. - Т. 240.
10. Kneisel C. Advances in geophysical methods for permafrost investigations / С. Kneisel [et al.] // Permafrost and Periglacial Processes. - 2008. - Т. 19. - №. 2. - C. 157-178.

Вестник Северо-Восточного государственного университета. - № 27. - Магадан : СВГУ, 2017. 

Категория: Естественные науки | Добавил: x5443x (13.10.2017)
Просмотров: 25 | Теги: многолетнемерзлые | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2017 Обратная связь