CC BY
51
УДК 551.22+614.8
В.Б. Болтыров д.г.-м.н., О.А. Медведев (Уральский государственный горный университет)
КАРТИРОВАНИЕ РАЗЛОМОВ КАК ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ И УСТОЙЧИВОСТИ ОБЪЕКТОВ ГРАЖДАНСКОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО
НАЗНАЧЕНИЯ В УРАЛЬСКОМ РЕГИОНЕ
В силу того, что блоки горных пород могут перемещаться относительно друг друга по зонам разломов, объекты экономики, находящиеся на поверхности или в недрах Земли над зонами разломов, подвергаются геологической опасности и геологическому риску.
В статье рассматривается методика диагностики геодинамической активности территорий, причинно связанной с разломной тектоникой и блоковой делимостью земной коры и литосферы
В.Б. Болтыров
Я /• •и.
$'.Л
О.А. Медведев
Урал является современным геодинамически активным регионом, о чем свидетельствуют имевшие место землетрясения силой от 3 до 7 баллов, горно-тектонические удары, а также подвижки по разломам, приводящие к разрушениям промышленных и гражданских объектов.
Согласно карте «Общего сейсмического районирования Российской Федерации — ОСР-97-С» значительная часть территории Среднего Урала отнесена к зонам 7 и 8-балльной сейсмичности по шкале MSK-64 для средних грунтов. В 8-балльной зоне расположены такие крупные промышленные центры как Екатеринбург и Первоуральск, в зоне 7-балльной сейсмичности — Пермь, Чусовой, Кунгур, Нижний Тагил, Серов, Белоярский и др.[1, 2].
Наряду с возможными проявлениями макросейсмических событий в виде землетрясений в повсеместно развитых на Урале разломах, как межблоковых зонах, отмечаются современные геодинамические движения, имеющие различные механизмы разрушений зданий и сооружений. В целом это асейсмогенные движения, не сопровождающиеся землетрясениями [3].
Асейсмогенные тектонические движения, как и сейсмогенные, обусловлены иерархично-блоковым строением литосферы. Благодаря наличию блоков разных порядков, их подвижности и сложным перемещениям относительно друг друга осуществляется саморазвитие Земли, ее приспособление к различным проявлениям как внутренних, так и внешних, в том числе и космических сил [4].
Асейсмогенные движения подразделяются на два вида: трендовые и цикличные. С первыми связаны медленные опускания и поднятия блоков горных пород, а также их смещения в горизонтальном или иных направлениях. Здания и сооружения, попадающие на активные меж-блоковые зоны с выраженным трендовым движением, испытывают деформации по достижении в их конструкции предельных напряжений, а разрушаются в результате превышения трендовыми деформациями допустимых значений.
Цикличные движения более распространены, их воздействие на объекты экономики более многогранно и, в зависимости от частоты циклов, выражаются как в непосредственном влиянии деформаций на сам объект, так и опосредованно через изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных движений. Причинами аварий и катастроф в случае цикличных движений являются превышение амплитудами этих деформаций доступных значений, проявление усталостных эффектов в материале конструкций, превышение суммарными деформациями от цикличных движений и изменений прочностных и деформационных свойств структурно нарушенных пород разломных зон допустимых значений.
Трендовые движения отражают перемещения блоковых горных пород и причинно связаны с изостазией, просад очными явлениями или ротационными силами, тогда как цикличные движения отмечаются преимущественно в разломных зонах, характеризующихся менее прочностными и деформационными характеристиками по сравнению
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
с самыми массивами горных пород, а причинно связаны с солнечно-лунными притяжениями, т.е. имеют космогенное происхождение [5].
Проблема исследования тектонической активности асейсмичных территорий приобретает все более возрастающие значение в связи с увеличением техногенных воздействий на земную кору, особенно при строительстве и эксплуатации опасных производственных объектов (атомные реакторы, химические заводы и др.). Правда, как отмечают специалисты, гипертрофированное представление о непогрешимости строительных норм для асейсмич-ных территорий привело к формированию генотипа благополучия и неоправданного оптимизма в проектной культуре и в строительстве. Отсюда незнание и нежелание признать неадекватность тщательного контроля прочности на растяжении в массивной или сложной строительной конструкции. Замалчивается парадоксальный факт в проектной практике о том, что многометровое строительное сооружение рассчитывают на прочностных показателях, полученных на основе испытания образцов, размерами максимум 30 см. И это лишь доказывает наличие иллюзорности или эйфории благополучия. Вместе с этим следует считаться с феноменом бетона и железобетона, который состоит в том, что у них нет конкурентов. Поэтому рассматриваемые вопросы моделирования процессов данных материалов имеют особую важность при решении вопросов проектирования сооружений и оценки их состояния.
Например, при обследовании здания Екатеринбургского государственного цирка было установлено следующее. Изучались две одинаковые перекрестные системы несущих балок, расположенных по углам прямоугольного в плане здания, выполненных из железобетона. Каждая система состоит из двух консольно-перекрестных монолитных балок (Б-2 и Б-4) двутаврового сечения, длиной 19 и 15 м, которые в месте пересечения опираются на одну колонну D = 1200 мм. Наиболее длинная консольная балка Б-2 общей длиной 18 680 мм состоит из пролетной части длиной 8680 и консольной части 10000 мм.
Спустя 16 лет после пуска в эксплуатацию уникального здания в описанных балках были обнаружены особо густые системы наклонных трещин, вызвавшие неоднозначные мнения о причинах их происхождения. Характер повреждения балок не соответствовал ни одному из известных видов воздействий из первой группы предельных состояний, предусмотренных СНиП «Железобетонные конструкции», а именно:
1) действие изгибающего момента по нормальному сечению;
2) действие изгибающего момента по наклонному сечению;
3) действие поперечной силы по наклонному сечению.
Ширина раскрытия трещин (от 0,1 до 1,15 мм) и расстояние между ними. Из предварительного анализа приведенных данных сделан вывод об условно-
нормализованной схеме трещин в результате ударноволнового воздействия от близко расположенного (на расстоянии около 100 м) источника. Таким источником вероятнее всего является разлом, трассируемый р. Исетью, на берегу которого воздвигнут Екатеринбургский цирк [6].
И сегодня администрация Екатеринбургского цирка вынуждена объявить конкурс на право заключения договора для выполнения НИОКР по теме: «Разработка, изготовление, монтаж и наладка автоматического мониторинга основных несущих элементов здания Екатеринбургского цирка».
Об активности древних разломов, периодических подвижках в них свидетельствуют многочисленные примеры, приведенные в различных публикациях. И тем не менее практика строительства разного рода инженерных сооружений показывает, что сведения о разломной тектонике их фундаментов, а также другие настораживающие сведения по результатам инженерных изысканий, проводимых в обязательном порядке при проектировании и строительстве этих объектов, обычно не влияют на выбор места строительства. Может измениться лишь подход к строительству, будут изобретаться и использоваться различные технологии, призванные повысить устойчивость сооружения за счет укрепления его фундамента и т.д., но никогда речь не идет о переносе места строительства. Трагедия в Московском аквапарке в марте 2004 г. может и не произошла бы, если бы он не был сооружен над Битцевским разломом. В данном случае выбор ненарушенного разломами участка под строительство аквапарка было бы более правильным решением проблемы устойчивости.
Кроме чисто субъективных причин недооценки геодинамической активности разломной тектоники на инженерные решения влияет и недостаточная информативность методов, в обязательном порядке используемых при проектировании сооружений. Само понятие — зона влияния сооружения, изучаемая при проведении такого рода исследований, совершенно не отражает объективной ситуации, возникающей при тектонической нарушенности горного массива, залегающего в его основании. Как показывает опыт проводимых исследований, даже в случае глубокого (свыше 100 м) залегания скального массива тектонические нарушения оказывают огромное влияние на формирование и структуру осадочного чехла.
Точечные исследования на площадке строительства, такие, как бурение скважин по конверту, не несут по своей сути никакой информации о структуре массива в целом, так как литологический состав грунтов при бурении в осадочной толще не изменяется в зависимости от местонахождения скважины, а при бурении в скальном массиве и попадании в тектоническую зону, практически невозможно достать керн, и все списывается на недостаточное качество проходки скважин. При этом массив, как правило, считается однородным, и свойства принимаются по исследованиям керна, полученного из «качественных» скважин.
Для решения проблем устойчивости инженерных сооружений целесообразно использовать комплекс дистанционных, геологических, геоморфологических, геофизических и геохимических методов исследования массивов горных пород, выявления потенциально опасных тектонических нарушений, геодинамическая активность которых может послужить причиной возникновения катастроф.
Выявление активности геологических неоднородностей земной коры на территории городской застройки является проблемой, которую приходится решать, применяя порой нестандартные подходы. Выполнить полный комплекс исследований зачастую невозможно из-за сложившейся градопромышленной инфраструктуры. Так, исключается детальная гравимагнитная съемка вследствие высокого уровня помех, создаваемых подземными инженерными коммуникациями, линиями электропередач и т.п. Проведение буровых работ по определенной сети для получения керна и каротажа скважин также бывает невозможно из-за жилых построек. И тем не менее в каждом конкретном случае изучение устойчивости объектов экономики и геодинамической опасности территорий застройки можно использовать и традиционный геологический подход, и подходящее для данного случая исследовательские методы.
Прежде всего наличие для любой территории застройки топографических карт, аэрофото- и космических снимков позволяет провести обычное или компьютерное линеаментное дешифрирование. Под линеаментами, как известно, подразумеваются прямолинейные элементы рельефа, предположительно трассирующие разломные структуры.
После создания схемы линеаментов необходимо определить, какие из них соответствуют неоднородностям земной коры и какие из неоднородностей, в свою очередь, являются активными геологическими элементами, способными влиять на объекты земной поверхности. Поэтому следующим шагом изучения делимости земной коры и активности выявленных структур является наземная заверка разломов. Например, для тех линеаментов, которые хорошо прослеживаются на аэрофото- и космоснимках и отражают на поверхности разломы земной коры, характерен уровень аномального гамма-излучения, отличного от фонового для данной местности. Кроме того, можно провести радоновую съемку, которая также покажет пространственную приуроченность аномалий радона в припочвенном воздухе над разломами земной коры.
В задачу первого этапа входит построение геолого-структурной модели территории, выявление всех тектонических нарушений, имеющих выход на земную поверхность или находящихся в осадочной толще, если решается проблема с наземными объектами, или выявление нарушений всех тектонических нарушений горных пород в области влияния подземного объекта. На начальной стадии необходимо определить их местонахождение, параметры залегания, мощность, слагающие породы, состояние, в котором
они находятся.
При построении геолого-структурной модели исследуемой территории принимаются во внимание все без исключения тектонические нарушения массива горных пород, создающие ему иерархически блочное строение. Практика свидетельствует, что геодинамическая активность тектонических нарушений не всегда соответствует их рангам, присваемым по размерам. Второстепенные, маломощные тектонические нарушения иногда имеют более высокий уровень геодинамической активности в отношении короткопериодных современных геодинамических движений. Иногда геодинамическая активность отдельных тектонических нарушений инициируется под влиянием техногенной деятельности. В связи с этим результаты первого этапа рассматриваются как исходный материал для последующих, на которых из всего множества тектонических нарушений будут выделены геодинамически активные, будет произведена их ранжировка по параметрам современных геодина-мических движений.
В задачу второго этапа диагностики территорий под объекты экономики входит выявление состояния тектонических нарушений и оценка их геодинами-ческой активности. Из множества тектонических нарушений, слагающих иерархически блочную структуру массива горных пород, необходимо выделить те нарушения, которые представляют потенциальную опасность по воздействию на объекты экономики. Для этой цели используется комплекс геофизических методов, позволяющих экспериментальным путем получить необходимые сведения о состоянии массива горных пород, тектонических нарушений и примыкающих участков структурных блоков.
Задачей диагностики является познание параметров, состояния и свойств тектонических нарушений с использованием методов электрометрии в различных вариантах и метода спектрального сейсмопрофилирования. Эти методы более трудоемки по сравнению, например, с исследованием радоновой эмиссии, но дают представление о геометрических параметрах тектонических нарушений, их точном местоположении, мощности дезинтегрированной зоны, а также о некоторых свойствах слагающих пород.
Результаты электрометрических исследований в вариантах вертикального электрозондирования (ВЭЗ), срединного градиента (МСГ), естественного поля и др. позволяют построить геоэлектрическую модель диагностируемого участка, в основе которой используется электрическое сопротивление пород. Величины электрического сопротивления взаимосвязаны с литологическим составом пород, их структурой, т.е. степенью дезинтеграции, напряженно-деформированным состоянием, а также гидрогеологическим режимом и другими факторами. Геоэлектрическая информация и построенная на ее основе структурная модель диагностируемого участка позволяют существенно углубить и расширить представление о строении массива горных пород. Однако это информация носит опосредованную взаимосвязь
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
с возможными геомеханическими процессами, отражая в большей мере структурные особенности.
Завершающей стадией этапа уточнения структурной модели участка под строительство объекта является исследование его с помощью спектрального профилирования (ССП). Метод ССП по своей сущности обеспечивает томографию массивам горных пород по наличию в нем плоскостей нарушений, которые либо находятся в состоянии подвижности, либо достигли предельного состояния нарушения их устойчивости. Метод ССП дает геомеханическую информацию о состоянии массива горных пород и о наличии в массиве горных пород тектонических нарушений, в которых горные породы находятся в подвижном состоянии и имеют пониженные прочностные и деформационные характеристики.
Таким образом, информация о структуре массива горных пород и состоянии пород в зонах тектонических нарушений позволяют выделить на диагностируемом участке наиболее опасные тектонические нарушения, которые могут вызвать разрушение инженерных сооружений даже на стадии их строительства.
На завершающей стадии диагностики участка исследованию подвергаются те зоны, которые выделяются двумя предшествующими стадиями в качестве потенциально опасных для находящихся там
объектов, либо проектируемых. На этой стадии определяются численные параметры, характеризующиеся геодинамические движения, а именно: скорости, амплитуды и частоты геодинамических движений. Для этих целей используются высокоточные геодезические методы измерения движений и деформаций земной поверхности и массива горных пород. При последовательном определении параметров смещений и деформаций поле деформаций строится в статике по выбранным параметрам, полученным в разное время. Таким образом, параметры поля деформаций, полученные на завершающем этапе диагностики, дают четкое представление о деформационных процессах, протекающих на диагностируемой территории под влиянием современных геодинамических движений. Эти данные служат основой для прогнозных оценок развития природно-техногенных катастроф на объектах экономики. Прогноз осуществляется путем сопоставления полученных параметров деформирования с прогностическими признаками соответствующих объектов. При этом учитывается весь спектр геодинамических условий от однонаправленных, с их относительно постоянными скоростями движения и развития, до цикличных, с их знакопеременными деформациями, тиксотропными явлениями в массивах горных пород и усталостными эффектами в конструктивных элементах объектов экономики.
Литература
1. Маловичко А.А. Изучение и мониторинг природной и техногенной сейсмичности Урала // Вестник УрО РАН. - № 2 (8).
2. Кашубин С.Н., Дружинин В.С., Гуляев А.Н. и др. Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона / под ред. Уткина В.И. — Екатеринбург: Уро РАН, 2001. — 125 с.
3. Болтыров В.Б., Нарышкин Ю.В. Разломы и катастрофы: Учебное пособие — Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005 — 110 с.
4. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. — М.: Наука,1991. — 96 с.
5. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacements in zone nic breaking / fock mechanics — a challenenge for society Proceedings of the ISRM REGIONAL Symposium EUROCK 2001. — Espoo and (Balkema) Rotterdam (Brook field), 2001.
6. Мухаметшин А.М., Скоробогатов С.М. Масштабный эффект иерархически организованной блоковой модели трещинообразования в техногенных и естественных образованиях // Техногенез и экология: Информ. — темат. сборник — Екатеринбург: УГГГА, 2002. — 96 — 102 с.
