CC BY
36
УДК 550.372: 622.271.333 С.М. Простов, Е.В.Костюков
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДАМБ НА ТОЧНОСТЬ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИХ СОСТОЯНИЯ
Контроль аномалий геологической структуры обводненных породо-грунтовых массивов основан на измерении пространственно-временных вариаций эффективного удельного электросопротивления (УЭС) рК массива. * Результатом геоэлек-трических измерений являются графики рК(АВ) при ВЭЗ и Рк(х,у) при ЭП (АВ - разнос питающих электродов, м; х, у -продольная и поперечная координаты по осям сооружения) [1]. Эффективное УЭС (в Ом-м) массива определяют по формуле:
, Аи
РК = ^-^, (1)
где к - геометрический коэффициент установки АМЫБ, зависящий от взаимного расположения электродов, м; А и -падение напряжения на электродах МЫ, В; I - ток через электроды АВ, А.
В теории электроразведки геометрический коэффициент установки при зондировании и профилировании определен для идеальных условий и рассчитывается по формуле [2]:
к = ( 1 1 1 1
к — и/1------------------\----
Ч АМ АЫ БМ БЫ
(2)
где - центральный телесный угол растекания тока от питающих электродов АБ, принимаемый равным 4 я при подземных скважинных измерениях в пространстве и 2 я - при зондировании с поверхности полупространства, рад.; АМ, АЫ, БМ, БЫ - расстояния между электродами установки АМЫБ, м.
Особенностью дамб как
* Работа выполнена при поддержке гранта Минобразования России А 03-2.13-12
объекта геоэлектрического контроля является сложная форма поверхности, существенно отличающаяся от плоскости. При этом массив не является полупространством, как это заложено в теоретических моделях. Степень влияния геометрических параметров дамбы (ширина гребня, высота насыпного слоя, заложение откосов, степень заполнения хранилища) на изменение плотности зондирующего тока и геометрического коэффициента установки была исследована на физической (электролитической) модели. Модель дамбы представляет собой герметичную емкость из непроводящего материала с
жидкостью (водопроводной
водой) (рис. 1).
Подвижность внутренних элементов модели предоставляла возможность проведения исследований для широкого диапазона изменения основных параметров дамб, а именно: угол наклона а низового 1 и верхового 2 откосов дамбы изменялся от 27 до 55°; уровень заполнения накопителя регулировался горизонтальной панелью 3 и устанавливался в три основных положения - Н3 = 0,17
Н, 0,5 Н, 0,7 Н. Поскольку в качестве материала заполнителя внутреннего пространства модели была использована водопроводная вода, в эксперименте
внешними размерами 1* 1x0,3 имитировался однородный изо-
м, заполненную проводящей тропный насыпной массив дам-
жидких промышленных отходов: 1 - низовой откос; 2 - верховой откос; 3 - уровень заполнения накопителя; 4 - электропроводящая жидкость; 5 - измерительная установка; а - угол наклона откоса; в - расстояние от оси профиля до бровки откоса; Н - высота дамбы; Н3 - высота заполнения хранилища.
Рис. 2. Оценка размеров зон влияния границ раздела по глубине АВ
и ширине х модели
бы. Измерения проводили по схеме четырехэлектродной установки AMNB (АМ = MN = NB).
Поскольку УЭС среды равно УЭС воды рв(рк = рв = const), при геометрическом подобии модели и натуры, стабилизированном токе модели (I = const) из уравнения (1) следует, что соотношение коэффициентов установок k/k) для нестандартных и стандартных условий измерений обратно пропорционально отношению соответствующих падений напряжений. Это отношение, интерпретируемое как поправочный коэффициент kn, исследовалось на модели как функция параметров AB, а, в, Н3:
k( АВ ,а,в, Н з )
о
kn (АВ ,а,в, Н з ) = -AUo
AU ( АВ ,а,в, Н 3)’
(3)
где k0, AU0 - коэффициент установки и падение напряжения, измеренные для полупространства; k, AU - то же для смоделированного профиля дамбы при переменных параметрах AB, а, в, Н3.
Для установки предельных диапазонов изменения разноса АВ были оценены зоны влияния боковых и нижней границ раздела "модель-воздух": при увеличении глубины зондирования (АВ = var) и приближении к стенкам модели при профилировании (АВ = const) наблюдалось возрастание рк (рис. 2).
Используя критерии предельного отклонения Арк < 0,05 рв получено, что АВтах = 0,5 м, Axmax = 0,15 м. Все последующие измерения проводили в пределах установленных границ рабочей зоны модели.
На рис. 3 представлены экспериментальные графики зависимостей kn\(a, АВ/Н, в/Н) для низового и верхового откосов при незаполненном хранилище. Использование относительных размеров позволяет применять
К:
0,9
0,8
0,7
4 г / /
О
0,2 0,4 0,6
0.8
1 3
2 4
Рис. 4. Зависимости поправочного коэффициента кп2 от относительного расстояния в/Н при а = 55° Н3 = 0,17 Н (а), 0,5 Н (б) и 0,7 Н (в): 1 - АВ/Н = 0,4; 2 - 0,8; 3
- 1,5; 4 - 2
б
Рис. 5 Планы участков дамб шламового отстойника ОАО "Шахта имени С.М. Кирова" (а)
и илонакопителя ЗАО "Черниговец" (б)
при незначительных изме-
установленные зависимости для любых условий. Следует отметить, что на всех графиках наблюдается монотонное уменьшение кп1 при приближении к бровке откоса, связанное с дополнительным увеличением плотности зондирующего тока. Минимальное зафиксированное значение кп1 и максимальный размер зоны влияния втах поверхности откоса соответствует наибольшему разносу АВ. Диапазоны изменения параметров составили: кп\ = 0,73-1; втах/Н = 0,47-1,2.
При заполнении хранилища электропроводящей массой (водой, пульпой, шламом) условия измерений со стороны верхового откоса приближаются к стандартным, поскольку зондирующий ток распространяется на прилегающие к дамбе участки массива заполнителя. Это приводит к заметному сглаживанию графиков кп2 (в/Н) по мере приближения к бровке уступа, причем при малом заполнении (Н3 = 0,17 Н) крутизна графиков и диапазоны изменения кп2 в целом незначительно отличаются от графиков кп1 (в/Н) на рис. 3, д. Увеличение Н3 эквивалентно уменьшению Н и приводит к относительному увеличению
кп2.
При обработке результатов геоэлектрических измерений по гребню дамбы следует вводить соответствующие значения поправочных коэффициентов кп\ и кп2, причем характерными случаями являются следующие:
нениях а, в и Н вдоль оси зондирования (дамбы равнинного типа) при электропрофилировании (ЭП) кп = кп\ • кп2 ~ const, т.е. условия измерений не изменяются, при вертикальном электрозондировании (ВЭЗ) с ростом АВ следует использовать графики с соответствующим отношением АВ/Н (рис. 3, 4);
- при изменениях ширины 2в дамбы равнинного типа (местные расширения или сужения) или высоты насыпного слоя Н дамб балочного типа необходимо определять поправочные коэффициенты, используя шкалу в/Н и переменное отношение АВ/Н.
Полученные графики поправочных коэффициентов бы-
ли использованы при интерпретации результатов геоэлектри-ческого мониторинга реальных гидротехнических сооружений.
Так, на ограждающей дамбе шламового отстойника "Дальний" ОАО "Шахта им. С.М. Кирова" выполняли комплекс гео-электрических наблюдений с целью выявления фильтрационных коллекторов в теле сооружения и проверки фильтрационной устойчивости дамбы [3]. Дамба характеризуется большой протяженностью (длина напорного фронта 1840 м) и постоянной высотой 7 м, при а = 38°. На участке ПК18-ПК15 ширина дамбы увеличивается с 4 м до 13,4 м (рис. 5, а). В данном случае на участке максимальной ширины дамбы ПК17-ПК16
а
Ом-м
17
13
9 5
ПК 18 ПК17 ПК16 11К15
б
Р«*
Ом-м
30 25 20
Ю 30 50 70 90 МО х, М
Рис. 6 Корректировка результатов геоэлектрического мониторинга на ограждающей дамбе шламового отстойника "Дальний" ОАО "Шахта им. С.М. Кирова" (а) и дамбе илонакопителя ОФ ЗАО "Черниговец" (б)
скорректированная кривая уровня УЭС (р'к) отличается незначительно, поскольку в/Н >
0,9 и кп1 ~ 1. Вместе с тем, на примыкающих участках (ПК 18-ПК17 и ПК16-ПК15) значение поправочного коэффициента снижается, а, следовательно, происходит уменьшение общего уровня УЭС, достигающее 9% (рис. 6, а).
Вторым объектом натурных геоэлектрических наблюдений
была дамба илонакопителя ЗАО «Черниговец» балочного типа (рис. 5, б) [4].
Ширина плотины выдержана по всей длине (2 в = 5 м). В этом случае значение поправочного коэффициента определяли одновременно по двум факторам: шкале в/Н и переменному соотношению АВ/Н при АВ = const = 60 м. Наибольшее влияние изменения высоты дамбы Н на результаты геоэлектрических
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
измерений происходило в средней части дамбы при Н = 1216 м, где скорректированная величина отличалась на 23% (рис.6, б).
Поскольку минимальные возможные значения поправочного коэффициента кп = кпі • кп2 < 0,6, приведенная методика позволяет существенно повысить точность прогноза геоме-ханического состояния дамб.
1. Методические указания по контролю геомеханических процессов в техногенных породогрунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектриче-ским методом / ГУ КузГТУ, НФ "КУЗБАСС-НИИОГР". - Кемерово, 2003. - 42 с.
2. ЯкубовскийЮ.В. Электроразведка / Ю.В. Якубовский, И.В. Рернард. - М.:Недра, 1991. - 359 с.
3. Костюков Е.В. Исследование параметров обводненных зон в протяженной дамбе шламового отстойника "Дальний" ОАО "Шахта им. С.М. Кирова" / Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева, М.В. Гуцал // Вестник КузГТУ. - 2004. - №2. - С. 18-23.
4. Костюков Е. В. Исследование гидродинамических процессов в дамбе илонакопителя ОФ ЗАО "Черниговец"/ Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева // Вестник КузГТУ.- 2004.- №4.
□ Авторы статьи:
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф. каф.теоретической и геотехнической механики
Костюков Евгений Владимирович
- аспирант каф. теоретической и геотехнической механики
