CC BY
61
УДК 625.74
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
1 9
© Е.В. Волкова1, А.В. Чемрукова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Поднимается проблема определения распространения многолетнемерзлых грунтов под телом насыпи автомобильной дороги. Рассмотрен метод вертикального электрического зондирования в модификации электротомографии с целью оценки мерзлотно-литологического строения разреза. Приведен результат геофизических исследований этим методом на примере участка деформаций автомобильной дороги «Амур», км 247. Ил. 8. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты; автомобильные дороги; инженерные сооружения; вечномерз-лые грунты; геофизические исследования; метод вертикального электрического зондирования; электротомография; мерзлотно-литологический разрез.
METHODS TO DETERMINE PERMAFROST SOILS DISTRIBUTION E.V. Volkova, A.V. Chemrukova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article treats the problem of determining permafrost soils distribution under the body of the automobile road embankment. It discusses the method of vertical electrical sounding in electrical tomography modification in order to assess the cryogenic lithologic structure of the section. The result of geophysical studies with the application of the method is given by example of the section deformation on 247 km of the automobile road "Amur". 8 figures. 5 sources.
Key words: multi-year frozen soils; automobile roads; engineering structures; permafrost soils; geophysical researches; method of vertical electrical sounding; electrical tomography; cryogenic lithologic section; electrical sounding.
Проблема обеспечения стабильности инженерных сооружений на вечномерзлых грунтах всегда важна и актуальна. Главная особенность вечной мерзлоты -это её изменчивость. Её наличие и формирование определяется множеством факторов, изменение хотя бы одного из которых может приводить к непредвиденным последствиям.
Более чем 100-летний опыт эксплуатации Транссибирской магистрали и 40-летний опыт эксплуатации БАМа показывают, что основной научно-технической проблемой строительства и содержания дорог в этом регионе была и остается проблема обеспечения стабильности земляного полотна и искусственных сооружений в условиях вечной мерзлоты, глубокого сезонного промерзания грунтов, а также значительной неоднородности геологического строения территории. Эксплуатация построенных участков автодороги «Амур» также свидетельствует об этом: во многих местах дорога уже разрушается и деформируется под воздействием геологических и инженерно-геокриологических процессов.
Найти наиболее эффективный метод определения распространения ММГ под телом насыпи - это одна из важных и сложных задач, стоящих перед дорожниками.
Данная проблема является приоритетной при строительстве автомобильных дорог в I дорожно-
климатической зоне - зоне распространения вечно-мерзлых грунтов, поскольку нарушение температурного баланса ММГ может привести к опасным последствиям: просадкам земляного полотна (рис.1.), поперечным и продольным трещинам (рис. 2), осадке основания насыпи, сползанию откосов насыпи (рис. 3) и др. [3,4].
Многие специалисты (ученые и дорожники) проводили исследования в этой области. Познакомимся с работами Кондратьева В.Г. и проанализируем их с практической точки зрения [1,2].
На участке деформаций автодороги «Амур», км 247, геофизические исследования выполнялись методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) в модификации электротомографии (ЭТ) с целью оценки мерзлотно-литологического строения разреза. Основными задачами исследований являлись расчленение разреза по литологии, определение глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород, установление мощности мерзлой толщи, оценка льди-стости и обводнённости пород. Метод электротомографии основан на различии горных пород по удельному электрическому сопротивлению (УЭС) и применяется для решения широкого круга геологических и геоэкологических задач, а также при археологических и других исследованиях; рекомендован Госстроем России к применению при инженерно-
1Волкова Елена Викторовна, кандидат географических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, тел.: 89149275065, e-mail: [email protected]
Volkova Elena, Candidate of Geography, Associate Professor of the Department of Automobile Roads, tel.: 89149275065, e-mail: [email protected]
2Чемрукова Ася Вадимовна, магистрант, тел.: 89041112668, e-mail: [email protected] Chemrukova Asya, Graduate Student, tel.: 89041112668, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Просадки земляного полотна
геологических и гидрогеологических изысканиях [1].
Предшественником электротомографии является метод вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ), выполнявшийся по отдельным точкам или профилям из отдельных точек, расстояние между которыми определялось масштабом съемки и видом решаемых геологических задач. Принцип электрического зондирования заключается в последовательном увеличении расстояния между токовыми электродами, приводящем к росту глубинности исследований в точке зондирования (рис. 4,а). В результате зондирований методом ВЭЗ получаются графики зависимости кажущегося удельного электрического сопротивления (р^ от полуразносов питающей линии (АВ/2) (рис. 4,б).
Рис. 2. Поперечные трещины
Рис. 3. Сползание откосов насыпи
Полученные графики обрабатываются по специальным программам на ЭВМ, которые позволяют решать обратную задачу. В результате по рассчитанным
параметрам в нескольких точках зондирования строятся геоэлектрические разрезы, на которых отображаются электросопротивления и мощность слоев.
Недостатком метода ВЭЗ является его одномерность, то есть решение обратной задачи проводится в предположении, что разрез горизонтально-слоистый и однородный. В случае если в разрезе присутствуют крутопадающие (>15о) слои, вертикальные разделы сред или локальные неоднородности, метод даёт большие погрешности при решении обратной задачи.
Другим недостатком метода ВЭЗ является его малая пространственная дискретность. Приходится дополнять ВЭЗ электропрофилированием (метод ЭП) или сгущать сеть наблюдения для повышения разрешающей способности ВЭЗ, что приводит к резкому росту трудозатрат и увеличению стоимости геофизических исследований.
Рис. 4. Принцип вертикального электрического зондирования (а) и график зависимости кажущегося
удельного электрического сопротивления от полуразноса питающей линии (б): АВ - питающие (токовые) электроды; Ш - приемные (измерительные) электроды; р - удельное электрическое сопротивление слоев;
Ь - мощность слоев
В отличие от ВЭЗ, электротомография основана на многократном использовании в качестве питающих и измерительных электродов одних и тех же фиксированных на профиле заземлений (рис. 5). Электроды заземляются с одинаковым шагом (обычно 5 м) и под-
Рис. 5. Принципиальная схема электротомографии: АВ - питающие (токовые) электроды; МЫ - приемные (измерительные) электроды
ключаются к коммутационному кабелю (косе). Такая схема измерений приводит к существенному увеличению плотности измерений по сравнению с обычным методом вертикальных электрических зондирований.
Специальная аппаратура поочередно коммутирует и опрашивает различные комбинации электродов.
Таким образом, в результате измерений получают информацию о распределении кажущегося удельного электрического сопротивления по разрезу.
Электротомография может применяться не только для расчленения горизонтально-слоистого разреза, но и для изучения любых геологических сред двумерной или трехмерной структуры.
Решение обратной задачи (инверсия данных) проводится с помощью программы RES2DInv. Выходными данными являются разрезы удельного электрического сопротивления грунтов.
Сопоставляя данные электротомографии с ранее известной геологической информацией, проводят геологическую интерпретацию разрезов сопротивления и строят геоэлектрические разрезы.
На участке км 247 автодороги Чита-Хабаровск были выполнены электрические зондирования по 7 продольным профилям. Схема расположения профилей показана на рис. 6.
Профили располагались с северной стороны в
естественных условиях (ПР I), у северного основания (ПР II), по северной берме (ПР III), по северной обочине (ПР IV), по южной обочине (ПР V), у южного основания (ПР VI) и с южной стороны дороги в естественных условиях (ПР VII).
Кроме этого, выполнены зондирования по трем поперечным профилям - западному (ПР VIII), центральному (ПР IX) и восточному (ПР X).
Прокладка профилей проводилась без предварительной разбивки по доступным элементам рельефа с последующей привязкой концов измерительных кос по GPS. Точность привязки составила 4-6 м.
Измерения выполнялись с применением многоэлектродной аппаратуры «Скала-48» (Россия). Количество подключаемых электродов 48 шт. Шаг измерений (расстояние между электродами по профилю) составлял 5 м. Длина профилей изменялась от 470 до 530 м. Максимальная глубинность исследований обеспечивалась применением трехэлектродной (poledipole) установки профилирования/зондирования и составила 50 м.
По результатам электрозондирований были построены разрезы электросопротивления пород вдоль профилей и дана их мерзлотно-геологическая интерпретация. Результаты геофизических исследований, изложенные в данном отчете, носят предварительный
Рис. 6. Схема расположения профилей: 1 - пикеты ОАО «ИркутскГИПРОДОРНИИ»; 2 - скважины; 3 - профили электротомографии; 4 - изогипсы рельефа
характер. По словам автора, мерзлотно-геологическая интерпретация их основана на данных бурения ограниченного количества инженерно-геологических скважин, пробуренных на участке в мае 2002 г. (2 скважины глубиной 28-35 м), в декабре 2005 г. (5 скважин глубиной 21-26 м) и в июне 2011 г. (1 скважина глубиной 17 м). После бурения 4-5 инженерно-геологических скважин в декабре 2011 г. И 5-6 скважин в апреле-мае 2012 г. Материалы геофизических исследований должны пройти дополнительную мерзлотно-геологическую интерпретацию. Целесообразно также дополнить осенние геофизические исследования в сентябре 2011(период максимального сезонного оттаивания пород) весенними в апреле-мае 2012 г. (период максимального сезонного промерзания пород).
Кроме того, автор неоднократно упоминает о недостатках измерительной установки [1].
Значительное воздействие на точность измерений оказывает наличие металлических объектов в зоне измерений (например, металлическое барьерное ограждение, металлическая гофрированная труба). Металлические объекты вызывают понижение сопротивления в зоне своего влияния. Таким образом, в какой-либо части разреза могут присутствовать слои аномально низкого сопротивления (20-50 Ом-м), что характерно для тяжелых суглинков. В то же время по данным бурения ситуация может значительно отличаться.
На точность измерений влияют откосы насыпи, которые оказывают экранирующее действие - плотность тока искусственно создаваемых электрических полей увеличивается, в результате чего электрические параметры, измеряемые с установками ВЭЗ и ЭП, будут сложным образом искаженными. Наиболее значительные искажения наблюдаются на насыпях с минимальной шириной дороги и максимальной крутизной откосов. Чем выше насыпь и круче откосы, тем больше искажения. Расположение установки на бровке откоса также увеличивает кажущееся сопротивление.
Таким образом, на результаты измерений влияют два фактора - присутствие металлического ограждения, занижающее истинное сопротивление разреза и откос насыпи, увеличивающий истинное сопротивление грунтов. Вклад каждого из этих процессов оценить достаточно сложно.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что наиболее достоверными являются разрезы, проложенные по местности, вдоль оси дороги.
Поперечные разрезы построены путем экстраполяции данных между северной и южной частями поперечного профиля. По словам автора, ко всей интерпретации поперечных разрезов на глубине под насыпью следует относиться с осторожностью [1].
В качестве интерпретационного критерия принято, что областям повышенных сопротивлений (более 125 Ом-м) соответствуют многолетнемерзлые породы. Зоны пониженных сопротивлений предположительно соответствуют талым породам. На представленном участке дороги располагается зона пониженных сопротивлений. Она пересекает автодорогу под острым углом. Буровой профиль, пройденный перпендикуляр-
но дороге, скважинами подсекает только краевые части этой зоны. То есть все скважины бурового профиля попадают в контур высокоомных пород, а построенный по ним инженерно-геологический разрез не будет отражать объективной картины. Аномалия низкого сопротивления, соответствующая талику, осталась не вскрытой бурением.
Важно, что на данном участке дороги происходят деформации, пространственно совпадающие с областью пониженных УЭС пород, пересекающей автодорогу. То есть связь зоны деформации и низких сопротивлений грунтов очевидна.
При построении карты не учитывались данные, полученные с обочин автодороги, т.е. получается глубина 10 м от поверхности земли или основания насыпи (рис. 7, 8). На карту вынесены мощности ММП в разрезе, полученные в результате анализа поперечных и продольных геоэлектрических разрезов. Также показан предполагаемый путь фильтрации подземных вод через насыпь. По данным бурения скважинами вскрыты надмерзлотные воды, в то время как в остальных скважинах подземные воды не обнаружены. Эти же скважины попадают в контур пород низкого сопротивления.
В результате геофизических исследований методом вертикальных электрических зондирований в модификации электротомографии в пределах участка деформаций автодороги «Амур», км 247, установлено следующее:
• На площади исследований в верхней части разреза развиты преимущественно супесчаные и песчаные отложения мощностью от 20 до 30 м. Они характеризуются УЭС 50-100 Ом-м.
• Подстилающий высокоомный горизонт, ассоциирующийся с коренными породами (песчаники, алевролиты), имеет УЭС от 200 Ом-м и более.
• В верхней части разреза выделяются линзы и острова пород повышенного сопротивления (более 200 Ом-м), интерпретируемые как многолетнемерзлая толща. Кровля ММГ залегает на глубинах от 1.5 до 5 м. Мощность мерзлой толщи изменяется от 7 м на участках, близких к водоразделу, до 23 м и более в тальвеге долины руч. Чичон.
• На данном участке дороги установлено наличие области пород низкого сопротивления, пересекающей автодорогу под острым углом в северовосточном направлении. Выявленная аномалия пород низкого УЭС пространственно совпадает с зоной деформаций автодороги и, скорее всего, соответствует обводненным породам несквозного талика.
• Скважины, пробуренные ранее поперечного бурового профиля, попадают в контуры пород высокого УЭС, пропуская аномалию низкого сопротивления. Поэтому построенный по ним инженерно-геологический разрез не отражает более сложную общую картину.
• Для определения параметров выявленной та-ликовой зоны необходимо бурение контрольной инженерно-геологической скважины.
Таким образом, работы, проводимые Кондратьевым В.Г. на участке деформаций автодороги «Амур»,
Рис. 7. Карта удельного сопротивления пород на глубине 10 м
Рис. 8. Карта распространения ММГ по геофизическим данным на глубине 10 м
км 247, выполненные методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) в модификации электротомографии (ЭТ), дали возможность детально увидеть картину распространения ММГ под телом насыпи на этом участке дороги [1]. А это позволяет дорожникам более точно назначить мероприятия по реконструкции данного участка дороги и решить проблему деформаций и разрушения всей конструкции автомобильной дороги.
Несомненно, строительство автомобильной дороги вызывает изменение условий теплообмена на зем-
ной поверхности. При удалении растительного покрова, снега с полотна дороги, возможного повышения уровня снегового покрова в полосе отвода, а также потепления климата могут активизироваться такие процессы, как термокарстовые просадки, солифлюк-ция [3]. Кроме того, строительство дороги препятствует естественному стоку вод и может вызвать переувлажнение грунтов с нагорной стороны, что в свою очередь приведет к усилению сезонного пучения пород [5].
Однако необходимо учесть значительный уклон
местности, состав и мощность грунтов, слагающих сезонно талый слой, а также наличие нагорной канавы, частично перехватывающей воду с верховой стороны автомобильной дороги. Все это должно обеспечить удовлетворительный водоотвод и стабильность земляного полотна автомобильной дороги.
Исключение могут составлять участки с наличием надмерзлотных грунтовых вод, которые вызовут: пе-
реувлажнение грунтов земляного полотна насыпи и грунтов под телом насыпи (при значительном увлажнении эти грунты приобретают текучую консистенцию и становятся пучинистыми); увеличение глубины сезонного оттаивания (грунтовые воды оказывают отепляющее действие и активизируют оттаивание много-летнемерзлых грунтов); формирование термокарстовых просадок и локальных оползней сплывов [4].
Библиографический список
1. Кондратьев В.Г. Мерзлотно-геофизическое обследование участка деформаций автомобильной дороги Р-297 «Амур» Чита - Хабаровск, км 247». Транс ИГЭМ, 2011.
2. Справочная энциклопедия дорожника. Т.1: Строительство и реконструкция автомобильных дорог / под ред. А.П. Васильева. М., 2005.
3. ВСН 84-89. Изыскание, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной
мерзлоты / Минтрансстрой СССР. М., 1989.
4. ВСН 137-89. Инструкция по проектированию, строительству и содержанию зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и Северо-Востока СССР / Минтрансстрой СССР. М., 1989.
5. Иванов В.Б., Балабанов В.Б., Степаненко А.А. Водопро-пуски на дорогах Севера // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2012. №2(3). С. 89-94.
УДК 614.841
ОЦЕНКА ПОЖАРНЫХ РИСКОВ В МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
© В.В. Гармышев1, С.С. Тимофеева2
Иркутский государственный технический университет, Россия, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Объектом исследования являются чрезвычайные ситуации, связанные с пожарами в Иркутской области. В результате представлен сравнительный анализ пожарной обстановки в городских и районных муниципальных образованиях региона. С использованием методов анализа математической, социальной статистики и методологии расчета пожарных рисков дана оценка основных рисков чрезвычайных ситуаций, вызванных пожарами в Иркутской области. На основании аналитических исследований и расчетов доказано, что уровень пожарной безопасности в области на сегодня не отвечает современным требованиям безопасности. Табл. 3. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: Иркутская область; последствия пожаров; пожарные риски; пожарная безопасность.
FIRE RISK ESTIMATION IN IRKUTSK REGION MUNICIPAL ENTITIES V.V. Garmyshev, S.S. Timofeeva
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The object of research is the emergencies associated with the fires in the Irkutsk region. The study results in a comparative analysis of fire situation in urban and district municipal entities of the region. Using the analysis methods of mathematical and social statistics and the methodology of fire risk calculation the paper estimates the basic risks of the emergencies caused by fires in the Irkutsk region. Analytical researches and calculations prove that the current level of fire safety in the region does not meet modern safety requirements. 3 tables. 11 sources.
Key words: Irkutsk region; fire effects; fire risks; fire safety.
Ускорение темпов и расширение масштабов производственной деятельности, урбанизация в современных условиях неразрывно связаны с использованием энергонасыщенных технологий и опасных веществ. В результате возрастает потенциальная угроза
для здоровья и жизни людей, окружающей среды, материальной базы производства. Постоянно растет число техногенных аварий и катастроф, среди которых пожары занимают лидирующие позиции. К середине наступившего XXI века может оказаться, что в сово-
1Гармышев Владимир Викторович, кандидат технических наук, соискатель кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: 89646518785, e-mail: [email protected]
Garmyshev Vladimir, Candidate of technical sciences, Competitor for a scientific degree of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: 89646518785, e-mail: [email protected]
2Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой промэкологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405106.
Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405106.
