CC BY
51
© А.Н. Шабаров, Н.В. Гусева,
2003
УДК 622.014.3:502.76
А.Н. Шабаров, Н.В. Гусева
ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ И ОБЪЕКТАХ ТЭК
настоящее время для объектов и производств ТЭК, связанных с освоением и использованием недр и земной поверхности, обязательным условием является оценка природнотехногенных и экологических рисков.
Исследования ВНИМИ последних лет показали, что на аварийность объектов недропользования существенное влияние оказывают геодинамиче-ские процессы. Опасные проявления горных ударов, в т.ч. горно-
тектонических на угольных шахтах и рудниках в различных регионах России (Воркута, Соликамск, Северо-уральск, Норильск, Кузбасс и т.д.) вызвали серьезные осложнения для безопасности горнорабочих. Геоди-намические процессы, происходящие в недрах и активизирующие деформации массива горных пород, горное и газовое давление и сдвижение земной поверхности оказывают существенное влияние на проявление других видов опасностей, при производстве горных работ, таких как внезапные выбросы и газовыделения, обрушение вмещающих пород в динамических формах, завалы горных выработок, прорывы воды и глины в горные выработки, динамические подвижки вдоль геологических нарушений, разрушение целиков, оползни и обрушения бортов карьеров, опасные деформации гидротехнических сооружений и нарушение функционирования природных объектов на подрабатываемых территориях. К геодинамически опасным зонам приурочены также места происшедших аварий на газопроводах, железных дорогах.
При проектировании промышленных объектов учитываются такие физико-географические условия, как тип местности, уклоны рельефа, литология отложений, наличие болот, вечной мерзлоты, но не берутся во внимание условия, которые существенно Ввлияют на состояние основания объекта, а именно - геодинамическая характеристика участка расположения объекта или трассы, определяющая
особенности строения и напряженно-деформированного состояния верхней части земной коры.
С точки зрения геодинамики недр основным характерным признаком транспортных сооружений является их вытянутая форма в плане. К таким сооружениям относятся, в частности трубопроводы, рельсовые пути, автодороги, каналы.
Транспортные сооружения могут располагаться на земной поверхности ( трубопроводы, рельсовые пути, автодороги), перерезать эту поверхность (трубопроводы, каналы) или полностью заглубляться в грунт (подземные трубопроводы, тоннели).
Выполненный во ВНИМИ анализ почти 2000 аварий, происшедших на линейной части магистральных трубопроводов (включая и нефтепроводы) показал, что аварии распределены не равномерно, а сосредоточены в зонах влияния активных (т.е. живущих в настоящее время) разломов и особенно их пересечений. К таким зонам тяготеют геохимические и геофизические аномалии.
Магистральные трубопроводы являются сложными и дорогостоящими инженерными сооружениями. Разрушение трубопровода хотя бы в одном месте вызывает остановку его работы и прекращение в течение некоторого времени подачи продукта, а самое главное, резкое ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, -негативные экологические и экономические последствия.
ВНИМИ установлено, что 90% случаев аварий на магистральных трубопроводах приурочено к геодинамически активным зонам. Что же представляют из себя геодинамически потенциально опасные зоны:
1. Крупные региональные разрывные зоны шириной от нескольких до первых десятков километров имеют сложное строение и оперяются многочисленными локальными нарушениями. Их современная активность может проявляться по отдельным фраг-
ментам, а активные участки могут различаться по типу, интенсивности и амплитуде смещений. Выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности, приуроченные к зонам тектонических нарушений различного типа и порядка. Эти аномальные движения высокоградиент-ны (свыше 50 мм/год), короткопериодичны (от 0,1 года до первых лет), пространственно локализованы (от
0,1 км до первых десятков км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью [1];
2. Современные смещения по разломам могут быть двух видов: медленные (собственно тектонические) и быстрые, мгновенные, как правило, связанные с землетрясениями.
В областях с высокой (более 8 баллов) сейсмичностью возможно сочетание относительно медленных разрывных тектонических смещений (РТС) с практически мгновенными импульсными сейсмотектоническими разрывными смещениями.
3. Породы в зонах активных разломов могут существенно отличаться от пород вмещающего массива по фи-зико-механичес-ким, в том числе и сейсмическим свойствам. В связи с этим мощные зоны разломов выделяются как участки с особыми грунтовыми условиями. В пределах таких участков величина приращения сейсмической интенсивности за счет грунтовых условий может быть более высокой (до 0,5-1 балла), чем на участках вне зоны разлома.
При инженерно-геологичес-ких изысканиях в пределах разрывных зон отдельные подзоны могут рассматриваться как самостоятельные литологические разновидности со специфическими инженерно-геологичес-кими и сейсмическими свойствами, которые должны учитываться при сооружении объектов. Эти свойства могут сказываться на локализации опасных геологических процессов и сейсмодислокаций.
Часто смещения по разломам на глубине вызывают на поверхности растрескивание, проседание и разнообразные смещения.
Наконец, может иметь место сочетание этих явлений, т.е. развитие оползней, обвалов и гравитационного течения масс в результате подвижек по разломам на глубине как медленных, так и внезапных - типа сейсмических толчков при землетрясениях.
В зонах влияния активных разломов для трубопроводов представляют опасность горизонтальные деформации, изменения уклона, оползни и обвалы на склонах, вызывающие как развитие деформаций в самом трубопроводе, так и смещение трубопровода относительно грунта. В зоне влияния активного разлома возможно изменение геотермического режима и гидрогеохимических условий, по сравнению с вмещающим массивом. В результате повышенной проницаемости недр усиливается активный обмен поверхностных и подземных вод и газовых эманаций, что способствует изменению химического состава поверхностных и грунтовых вод и влияет на проявление стресс-коррозии трубопроводов. Негативно воздействуют на трубопровод слабые электрические поля, возникающие в зоне активного разлома при тектонических микроподвижках соседних блоков земной коры.
На геодинамически опасных участках возможны следующие результаты влияния активных разломов на транспортные сооружения:
1. Для железных дорог - изменение уклона железнодорожных путей в результате оседания земной поверхности; оседание мостов и наклонных въездов; выпучивание рельсов вследствие деформаций сжатия земной поверхности; оседание балластного слоя и водоотводной канавы разрыв стыковых накладок при деформациях растяжения земной поверхности; боковой выброс рельсового пути, вызванный сжатием земной поверхности.
Напряженное состояние на стыках блоков приводит к локальному проскальзыванию одного из них по отношению к другому, что порождает серию микросейсм, излучаемых в окружающую среду. В зависимости от геологической обстановки и расположения трассы железной дороги, определенная часть этих излучений попадает в тело насыпи и балластную призму, что и приводит к накоплению остаточных деформаций в земляном полотне и верхнем строении пути.
2. Для автодорог - повреждения покрытий автодорог и городских улиц выражаются в том, что при деформациях сжатия земной поверхности, возникающих в потенциально опасной зоне, начинают образовываться трещины в бордюрных камнях, а через швы выдавливается битум покрытия, и только после этого происходит выпуклое искривление мосто-
вой или образование на ней многочисленных волнообразных неровностей. Через трещины происходит подмыв мостовой дождевой водой вплоть до щебеночной постели.
Влияние активных разломов может привести к образованию уступов земной поверхности. Это, а также волнообразные неровности полотна дороги весьма опасны для автомобильного транспорта.
Характер работы конструкций сооружений в зонах риска до настоящего времени, по имеющимся данным, детальному анализу не подвергался, поэтому требования к сооружениям, возводимым в таких условиях, и критерии оценки зоны влияния активного разлома в действующих нормативных документах не отражены.
Так в соответствии с требованиями «Инженерных изысканий для строительства» в районах развития разрывных тектонических смещений в результате инженерно-геодезических изысканий графическая часть технического отчета должна содержать карту-схему с линиями разрывов и данными геодезических измерений [2]. Однако, в разделе «Инженерно-геологические изыскания» само понятие «разлом или активный разлом» отсутствует, но используются такие понятия как - «зоны и глубины их развития» и «карты опасности и риска от геологических и инженерно-геологических процессов». Под этими процессами понимаются карст, склоновые процессы, сели, процессы переработки берегов водоемов, процессы, происходящие на подрабаты-ваемых территориях, сейсмические явления.
В «Инженерно-геологических изысканиях для строительства» сказано, что состав материалов, подлежащих сбору и обработке, следует, как правило, включать сведения о геоди-намических процессах, а также, что дешифрирование аэро- и космоматериалов должны выполняться для уточнения и выявления тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости [3].
Однако, в категориях сложности инженерно-геологических условий, которые следует устанавливать по совокупности отдельных факторов (с учетом их влияния на принятие основных проектных решений) только для категории III (сложной), сказано, что имеются разломы разного порядка, а в числе задач геофизических исследований рекомендуется определять местоположение зон трещиноватости и тек-
тонических нарушений и выполнять оценку их современной активности [3].
Таким образом, в действующих СНиПах отсутствуют следующие важные положения:
• нет определения понятия «активного разлома» и нет ссылки на другой нормативный документ, определяющий это понятие;
• в категориях сложности инженерно-геологических условий отсутствует градация разломов по степени активности;
• отсутствует оценка величины воздействия активного разлома на сооружения;
• не учитывается, что оползни в большинстве случаев связаны с зонами активных разломов.
Результаты многолетних исследований ВНИМИ позволили разработать ряд критериев для достоверной оценки степени геодинамической опасности участка земной поверхности в области влияния активного разлома.
В развитие методик, основанных на ранжировании факторов, способствующих повышению опасности, и суммировании полученных баллов, разработаны методы оценки, учитывающие возможность развития опасных ситуаций.
Проведена классификация типов влияющих факторов по характеру их совокупного эффекта. Разработан математический аппарат для учета факторов с различным характером совокупного действия и для обработки результатов наблюдений. Предложены варианты комплексных критериев опасности, учитывающих действие ряда геодинамических факторов, а также особенности промышленного объекта.
Все это позволяет разработать ряд требований к оценке геодинамически опасных зон, которую необходимо выполнять на стадии инженерногеологических изысканий.
У становление местоположения
геодинамически потенциально опасных участков (зон риска) в пределах локальных территорий или для региона (регионов) в целом позволяет разработать и внедрить комплекс профилактических рекомендаций и мер при проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных сооружений с целью их защиты от повреждений и предотвращения экологических последствий в случае возможного повреждения.
Г еодинамическая безопасность при эксплуатации промышленных объектов может быть обеспечена только при решении следующих основных задач:
Выделение геодинамически потенциально опасных участков на основе морфоструктурного анализа земной поверхности по топографическим картам различного масштаба с привлечением космических и аэрофотоснимков, данных аналитических расчетов, результатов инженерноизыскательских работ, геологических и геофизических исследований.
1. Проведение комплекса полевых геодезических, геофизических и геохимических наблюдений на потенциально опасных участках с целью уточнения их границ, выделения наиболее опасных участков (зон риска).
Конечным результатом этих этапов геодинамического районирования является составление каталогов карт с выделенными зонами риска и создание единой для региона (регионов) инфор-
мационно-аналитической системы «Чрезвычайные ситуации».
Наличие таких каталогов (кадастров) позволит исключать возможность ЧС уже на стадии проектирования объекта, а органам Госгортехнадзора РФ, МЧС РФ, Госэнергонадзора РФ и др. контролировать состояние объекта, расположенного в зоне риска, на всех стадиях его эксплуатации.
В зависимости от степени опасности зоны риска и категории объекта виды контроля и его периодичность могут варьироваться.
ВНИМИ располагает богатым опытом и необходимой аппаратурой для организации в наиболее опасных зонах и для ответственных объектов геодина-мического мониторинга, включающего геофизические (сейсмические), маркшейдерские (геодезические) и гидрогеологические наблюдения. Разработанная в нашем институте аппаратура позволяет осуществлять сбор и передачу не только сейсмический, но и любой другой информации в данном районе, например, экологической.
В результате развертывания сети мониторинговых наблюдений в зонах риска появляется возможность создавать информационно-аналитическую систему в пределах сначала отдельных областей и потом и единую для всего региона в целом. Такая система сбора, передачи информации в единый центр и ее обработка позволит более оперативно и объективно принимать решения, направленные на исключение возможности проявления ЧС на самых ранних стадиях развития опасных природных и техногенных процессов.
ВНИМИ, как Межотраслевой научный центр Минтопэнерго, имеющий опыт создания региональных и локальных сетей наблюдений, и располагающий всеми необходимыми лицензиями на право ведения таких работ, мог бы вместе со специалистами РАО «Г азпром», МЧС и других заинтересованных организаций взяться за решение такой задачи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 .Касьянова Н.А., Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса (научные основы, практические приложения и методы учета аномальных геодинамических проявлений). - М.: АОЗТ «Геоинформ-марк», 1996. - 54 с.
2. СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства»/ Минстрой России. - М,1997. - 45 с.
3. СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ»/ Госстрой России. - М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997. - 47 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шабаров А.Н.— кандидат технических наук, ВНИМИ, С-Петербург. Гусева Н.В. — кандидат технических наук, ВНИМИ, С-Петербург.
