CC BY
87
М. А. Колосов,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
К. П. Моргунов,
канд. техн. наук, доц., СПГУВК;
Г. В. Коган,
канд. техн. наук, ГУП «БашНИИстрой»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОРАДАРНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ
В ОСНОВАНИИ КАМЕРЫ ШЛЮЗА
APPLICATION OF GEORADAR (GPR) METHODS FOR RESEARCHING THE SOIL OF HYDRAULIC LOCK'S FOUNDATION
Описаны возможности и особенности использования специальных георадарных методов для исследования реологических свойств грунтов в основании гидроузлов. На примере обследования грунтов основания камеры шлюза № 5 Волго-Донского судоходного канала показаны возможности и результаты работы георадаров.
Possibilities and features of applying of special Georadar methods for researching forflow characteristics of soils of hydraulic structures foundations have been described. As for a example researched results and possibilities carried out at hydraulic lock No. 5 of Volga-Don inland navigation channel by applying Georadar methods are illustrated.
Ключевые слова: георадар, геоэлектрический разрез свойства грунтов, камера шлюза, деформации и осадки камеры, разуплотнения грунта.
Key words: georadar, geoelectric section, soil properties, hydraulic lock chamber, deformation and settlement of chamber, softening of ground.
тов, залегающих в основании гидроузла, в том числе динамики измене-
ССЛЕДОВАНИЕ состояния грун-
узла и режимами его эксплуатации. При строительстве гидроузла естественно залегающие грунты сначала вскрываются при проведении грунтовых работ, затем нагружаются весом конструкций. При создании водохранилищ в бьефах гидроузла нарушается естественный гидрогеологический режим грунтов: изменяются фильтрационные потоки грунтовых вод и положение кривых депрессии. При эксплуатации в режиме наполнения и опорожнения камеры шлюза на грунты действует переменная нагрузка, также влияющая на их свойства. Медленное изменение реологических свойств грунта, вызванное указанными причинами, может со временем, достигнув предельных значений, привести к качественному изменению режимов работы гидроузла.
ния свойств грунтов в процессе многолетней эксплуатации, представляет собой актуальную и весьма важную задачу. Изменение реологических свойств грунтов, подстилающих основание голов и камеры шлюза, может привести к возникновению осадок строительных конструкций. Когда такие изменения, в силу различных причин, не были учтены проектными решениями, возникает опасность нерасчетных перемещений, в том числе взаимных смещений элементов шлюза. И если величины таких перемещений выходят за предельно допустимые значения установленных критериев безопасности, состояние элементов шлюза и всего гидроузла в целом может стать аварийным.
Именно поэтому важно иметь постоянную информацию о состоянии грунтов основания гидроузла и об изменениях свойств грунтов в процессе эксплуатации. Эту информацию может дать периодическое бурение
оо
Изменение свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации гидроузла обусловлено самим наличием конструкций гидро-
грунтов основания гидроузла с последующим лабораторным исследованием образцов, поднятых с различной глубины. Такой способ позволяет получить количественные характеристики грунтов, однако его широкое применение затруднено рядом обстоятельств. Сам процесс бурения влияет на свойства грунтов, характеристики образцов грунта, поднятых на поверхность, отличаются от характеристик грунтов на глубине залегания. Для получения образцов грунта из-под сооружений гидроузла необходимо либо производить бурение через строительные конструкции, нанося как минимум частичные повреждения, либо проводить наклонное бурение, что ведет к усложнению и удорожанию процесса. Буровое оборудование достаточно тяжелое и громоздкое, его сложно перевозить.
Поэтому в последнее время для исследования свойств грунтов все шире применяются методы так называемого георадарного исследования. Технология такого исследования состоит в следующем.
Радиотехнический прибор подповерхностного зондирования представляет собой портативный радиолокатор, который направляет зондирующие электромагнитные импульсы в исследуемую среду. Исследуемой средой может быть земля (отсюда наиболее распространенное название — георадар). вода, стены зданий и т. п.
Передающая антенна георадара излучает электромагнитные импульсы, которые для получения высокой разрешающей способности имеют очень малую длительность (единицы и доли наносекунды) и достаточно широкий спектр излучения. Выбор длительности импульса является компромиссом между необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения (ударный метод возбуждения).
Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов (как металлических, так и неметаллических) или любых неоднородностей, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость. После это-
го сигнал принимается приемной антенной, преобразуется в цифровой вид и запоминается для дальнейшей обработки.
При перемещении (сканировании) георадара по поверхности исследуемой среды на экран монитора выводится совокупность сигналов (профиль), по которым можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов.
Георадарное обследование, как и большинство других геофизических методов, не дает количественных характеристик. Однако такое обследование однозначно определяет расположение грунтов с различной плотностью. Получаемое изображение соответствует амплитуде отраженного радиосигнала от границ изменения диэлектрической постоянной грунта. Помимо этого, подобное исследование дает возможность определить наличие в грунте фильтрационной влаги. Наиболее оптимальным методом получения объективной качественной и количественной информации о состоянии грунтов является сочетание достаточно оперативных методов георадарного зондирования и точечного бурения с лабораторным исследованием образцов.
С использованием георадарного зондирования были исследованы свойства грунтов основания камеры шлюза № 5 Волго-Донского судоходного канала1. Необходимость проведения такого исследования была обусловлена следующими обстоятельствами.
В основании камеры шлюза № 5 залегают пылеватые водонасыщенные пески нижнебакинского горизонта, выше находятся пески современного аллювия с прослойками и линзами суглинков. Такие грунты характеризуются низкими прочностными показателями и высокой сжимаемостью под нагрузкой. Наблюдения в процессе эксплуатации гидроузла, введенного в действие в 1952 г., показали, что начиная с 1960-х гг. проявляются значительные перемещения отдельных полусекций камеры шлюза, в том числе и перемещения элементов конструкций камеры шлюза (полусекций) друг относительно друга. Это привело к тому, что время от времени противофиль-трационные шпонки, устроенные в темпера-
1 Работы выполнялись специалистами ГУП «БашНИИстрой».
турно-осадочных швах камеры шлюза, разрушались. Через разрушенные шпонки вода из камеры проникает в грунт под основанием. Режим работы шлюза обусловлен регулярным наполнением и опорожнением камеры. Такой цикл наполнения и опорожнения может рассматриваться как своеобразный «насос», создающий (при наличии гидравлической связи между камерой шлюза и водонасыщенным основанием) значительные фильтрационные градиенты в грунтах основания. При этом в один полупериод цикла вода из камеры поступает в грунт, а в другой полупериод происходит суффозия (поступление) мелкозернистого песка и супеси из грунтов основания в камеру шлюза.
С середины 2005 г. перемещения полусекций камеры стали приобретать скачкообразный резко нарастающий характер, особенно в центральных секциях камеры, которые просели на 25 мм. На левой стороне обратной засыпки камеры шлюза в районе центральных секций образовался грифон с выносом грунтовых вод. В межнавигационный период 2006-2007 гг. в осушенной камере были обнаружены грифоны с выносом грунта. Проведенные работы по восстановлению днищевой шпонки и небольшой цементации под основание не привели к стабилизации ситуации, деформации продолжаются.
Возможной причиной увеличения интенсивности осадок полусекций стен камер шлюза могло быть качественное изменение с 2005 г. реологических свойств грунтов основания.
Для подтверждения взаимосвязи между деформациями камеры шлюза и разуплотнением грунтов основания и было проведено георадарное зондирование области грунта в основании камеры шлюза.
Для инструментального исследования структуры грунтового массива в основании камеры шлюза № 5 были использованы георадарные комплексы «ЛОЗА-В» и «ЛОЗА-Н». От зарубежных и отечественных аналогов эти приборы отличаются большим энергетическим потенциалом, позволяющим работать в средах с высокой проводимостью. Большая амплитуда сигнала — 5 киловольт (у других радаров — от 50 до 100 вольт) и низкая
основная частота спектра сигнала — 25 МГц (у других радаров — обычно самая низкая — 200 МГц) позволяют обеспечить глубину зондирования, недоступную для большинства других радаров. Обработка материалов производилась с использованием программы «Крот». При организации работ учитывалась возможность того, что армированный бетон, из которого выполнены стены и днище шлюза, может создать помехи, снижающие достоверность результатов геофизических исследований. Поэтому для зондирования был использован прибор 81Я-3000, 0881, США. Иногда подобные приборы называются бетоноскопа-ми. Распространение электромагнитных волн через бетон зависит от ряда факторов, таких как размер ячейки армокаркаса, толщина защитного слоя бетона, расположение антенн относительно арматуры и ряда других. В случае невозможности зондирования на экране возникает характерная картина переотражений волн. В проведенных исследованиях на шлюзе № 5 значимых помех от железобетона не зафиксировано.
При георадарном исследовании камеры шлюза № 5 были выполнены следующие основные этапы обследования:
— построение трех геоэлектрических разрезов по водной поверхности вдоль камеры шлюза № 5;
— построение четырех геоэлектрических разрезов вдоль песчаной обратной отсыпки шлюза (по 2 с каждого берега);
— построение геоэлектрических разрезов поперек песчаной отсыпки шлюза по 7 разрезов с каждой стороны.
Расположение разрезов приведено на
рис. 1.
При выполнении разрезов по водной поверхности приборы располагались в лодке, перемещаемой в камере, опорожненной до уровня нижнего бьефа. Точность определения местоположения подземных объектов в плане составляет 0,5-1 м и обусловливается точностью измерения положения лодки. Погрешность измерения глубины составляет не более 10-15 % от глубины положения объекта. Вода не вносит значительных искажений в результат измерения, при условии, что она пресная.
Рис. 1. Расположение георадарных разрезов по камере шлюза
Основные результаты выполненной работы следующие.
В основании камеры шлюза, под центральными секциями № 3, 4 и 5 выявлена зона разуплотнения грунтов. Даная зона располагается ближе к левой стороне шлюза относительно его оси (рис. 2, 3).
Понятие «зона разуплотнения», в данной терминологии означает, что грунт в этих зонах однозначно менее плотен, чем в окружающих слоях. Полости (пустоты) в основании отсутствуют, так как они имеют характерный «радиообраз» — неоднократно повторяющийся контур полости, возникающий из-за пере-
Рис. 2. Геоэлектрический разрез вдоль камеры шлюза у левой стенки (ПР3)
Рис. 3. Геоэлектрический разрез вдоль оси камеры (ПР4)
отражения волн в полости, чего при выполнении работ не зафиксировано.
На дне камеры шлюза в районе шва между секциями № 4 и 5 обнаружены наносы (контактный выпор), по-видимому, суффози-онный вынос частиц грунта через нарушенный разделительный деформационный шов между секциями.
Нарушение герметизации деформационного шва между секциями № 4 и 5 также подтверждается наличием визуально наблюдаемого выхода вод на поверхность в основании песчаной отсыпки камеры шлюза, в районе стыка данных секций, а также зоны разуплотненного грунта, выявленной на геоэлектрическом разрезе (рис. 4), проведенном в основании песчаной отсыпки.
// университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
на зона разуплотненного грунта. Эта зона находится в толще водонасыщенных грунтов и может являться следствием развития суффо-зионных процессов, связанных с утечками из камеры шлюза.
Полученные результаты, на наш взгляд, вполне объективно подтверждают предположение о том, что причиной интенсификации осадок камер шлюза является разуплотнение и суффозионный вынос грунта из основания шлюза в результате гидродинамического воздействия на него при циклическом наполнении и опорожнении камеры. Этот процесс, по-видимому, связан с нарушением шпонок, как вдоль центральной оси шлюза, так, возможно, и между соседними секциями. Как следует из данных георадарных исследований, этот процесс имеет
Рис. 4. Геоэлектрический разрез вдоль основания с левой стороны обратной засыпки (ПР1)
На геоэлектрическом разрезе, построенном по откосам песчаной отсыпки в районе разделительного шва между секциями № 6 и 7 по правой стороне отсыпки, также выявле-
место в основном в секции № 4 и ее примыканиях к секциям № 3 и 5. Дополнительным доказательством выноса грунта из основания шлюза является его наличие на дне камеры шлюза.
вв
г
I
Ж
Гзз|
