CC BY
0УДК 550.8.012
В. В. Туманов, М. Ю. Богак, Г. П. Мартынов, Е. А. Ялпута, А. А. Сафин, О. Л. Шалованов, Д. С. Бородин
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕЛА И ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ СТАРОБЕШЕВСКОЙ ТЭС
В статье представлено обоснование эффективного использования комплекса инженерно-геофизических методов для выявления зон распространения аномальных явлений, выявления ослабленных зон грунтовых плотин. Также авторами был выполнен анализ скоростей сейсмических волн, удельного электрического сопротивления и естественного потенциала.
Ключевые слова: плотина, корреляционный метод преломленн-ных волн, геофизические исследования, глубинный разрез, фильтрация, тектоническое нарушение.
В процессе эксплуатации земляные плотины находятся под воздействием агрессивных факторов: волновых нагрузок, попеременного замораживание-оттаивание воды, атмосферных осадок, способствующих разрушению уплотнений деформационных швов и образованию сквозных трещин в армированном бетонном креплении верхового откоса, просадке и размыву плотины, что снижает срок эксплуатации и может привести к аварийной ситуации на плотине.
Головная земляная плотина Старобешевской ТЭС на реке Кальмиус введена в эксплуатацию в 1958 г. и служит для создания емкости водохранилища - охладителя. Створ плотины расположен у северо-восточной окраины села Вознесенка Старобешев-ского района на востоке от г. Донецка ДНР (рис. 1). Класс последствий (ответственности) плотины - СС-3, (V - категория сложности). Длина плотины 370 м, ширина по гребню 8,0 м, максимальная высота 21,6 м.
В основании плотины залегают суглинки склоновые лёссо-
видные, суглинки аллювиальные, суглинки со щебнем. На правобережном участке плотины в основании имеются прослойки раз-нозернистого песка, щебень, галька и гравий с разнозернистым песком. Ниже залегают глинистые сланцы с отдельными прослойками известняков и глинистых песчаников, в верхней части трещиноватые с глинистым заполнением трещин. Учитывая грунтовые условия, в основании плотины выполнено частичное удаление аллювиальных суглинков, устройство зуба и противо-фильтрационного металлического шпунта (правобережный участок), прорезающего песчано-гравийную толщу.
Рис. 1 - Гребень плотины Старобешевской ТЭС
В нижнем бьефе, в основании дренажной призмы, образован резервуар фильтрационных вод. Дно и берег резервуара в месте выходов дренажных вод закреплены камнем.
Сброс воды из резервуара осуществляется по водоотводя-щему трубопроводу из стальных труб.
Грунтовая плотина оборудована контрольно-измерительной аппаратурой, состоящей из 30 пьезометров, расположенных в шести поперечных створах и шести реперов.
В теле плотины и на береговых склонах установлены двадцать три шахтных пьезометра предназначенные для наблюдений за положением депрессионной кривой, направлением и скоростями фильтрационного потока. Семь точечных пьезометров служат для выявления режима грунтовых вод в отдельных слоях основания плотины и проверки эффективности работы металлического шпунта в качестве водонепроницаемого сооружения.
Результаты исследований. По предположениям заказчика наблюдаемые негативные явления связывались со следующими возможными причинами:
- разуплотнение грунтов и возникновение пустот при эксплуатации плотины;
- процессы водной суффозии (вынос мелких частиц грунта при фильтрации);
- возможная глубинная фильтрация вод из водохранилища ниже грунтового ядра плотины по трещинам в подстилающих горных породах;
- длительная эксплуатация плотины без проведения капитальных ремонтов.
В соответствии с этим целью проведенных инженерно-геофизических исследований являлось выявление в разрезе областей трещиноватости в ложе и основании плотины, обследование целостности бетонного крепления, а также установление границ возможных фильтрационных потоков через грунтовые слои плотины и ее основание.
Исследования проведены комплексом сейсморазведочных и электроразведочных методов, которые признаны ведущими методами при решении аналогичных инженерно-геологических задач [1]-[5]. При этом изучаются водно-физические и физико-механические свойства слагающих объект грунтов, что обуславливает получение всеобъемлющих данных о состоянии тела и основании плотины, гидрогеологической ситуации, а также информации о наличии опасных инженерно-геологических процессов. В сравнении с контролем среды с помощью бурения скважин, оборудованных контрольно-измерительной аппаратурой, и информирующих о состоянии плотины только в небольшой окружающей каждую скважину зоне, методы инженерной геофизики дают информацию площадного характера, получаемую в достаточно короткие сроки.
Инженерно-геофизические исследования выполнены по профилям 1-4, расположенным на гребне, берме, нижнем бьефе и бетонном креплении плотины соответственно. Сейсморазведоч-ные работы проведены корреляционным методом преломленных волн (КМПВ), методом отражённых волн (МОВ), а для обследования целостности бетонного укрепления и его примыкания к
грунтовому слою также методом сейсмического профилирования на постоянных базах (СППБ).
Наиболее типичные результаты сейсморазведочных исследований методами КМПВ и МОВ представлены на рисунках 2 и 3.
40 -85 9С К 1 6
К п Ш2Ш 7
а 1 m 1 8
ее к SC ï 4 1 9
*i К В X 5
1 - суглинки насыпные в зоне аэрации, сухие; 2 - суглинки насыпные, слабовлажные; 3 - суглинки насыпные, влажные; 4 - суглинки насыпные в зоне капилярной каймы; 5 - суглинки насыпные в зоне полного водонасы-щения; 6 - преимущественная глинистая кора выветривания; 7 - аргиллиты с отдельными слоями песчаников карбонового возраста (С14) различной степени трещиноватости; 8 - участки вероятного замещения глины глинистым песком, или вероятные выходы останцев разрушенных пластов песчаника; 9 - депрессия в поверхности зоны полного водонасыщения; 10 - зона с пониженной скоростью в аргиллитах карбонового возраста различной степени трещиноватости
Рис. 2 - Результаты сейсмических исследований по профилю 1 (гребень плотины) методом КМПВ
1 - подошва зоны интенсивного выветривания аргиллитов и песчаников С14; 2 - оси тектонических смещений в породах нижнего карбона
Рис. 3 - Динамический глубинный разрез ОГТ по профилю 2
(берма плотины)
Методом СППБ был пройден профиль по бетонным плитам
покрытия северного борта плотины на расстоянии 3 - 7 м от уреза воды в водохранилище. Расстояния ПВ-ПП были выбраны с таким расчетом, чтобы на малой базе ПВ-ПП (5 м) проследить пустоты и разуплотнения непосредственно под бетонным покрытием и уровень грунтовых вод (УГВ), на базе ПВ-ПП (11 м) проследить кровлю коры выветривания пород нижнего карбона под профилем 4, на базе ПВ-ПП (18 м) проследить подошву коры выветривания пород нижнего карбона. Для всех трех баз ПВ-ПП построены динамические глубинные разрезы (рис. 4).
а) изображение способом переменной плотности двуцветное;
б) изображение способом отклонений с закрашиванием положительных фаз; в) изображение способом переменной плотности и многоцветное. 1 - участок низких амплитуд преломленных волн; 2 - участок пониженных амплитуд преломленных волн
Рис. 4 - Временной разрез СППБ
Наличие аномалий, связанных с зоной потери интенсивности упругих колебаний по данному сейсморазведочному профилю на пикетах 14 - 42 м и 236 - 280 м обусловлено плохим контактом между плитой и насыпным грунтом, и вертикальным смещением плит, что подтверждается результатами визуального обследования плотины. Пример полученного временного разреза методом СППБ представлен на рисунке 4.
Таким образом, сейсморазведочные методы позволили детально уточнить строение грунтового слоя плотины и верхней части коренных пород, выявить наличие разуплотнённых грунтов, определить зоны плохого контакта между бетонными плитами и насыпным грунтом, совместно с данными визуального обследования наиболее вероятные зоны деформаций самого укрепления, а также выявить положения глубинных тектонических нарушений.
Далее рассмотрены наиболее интересные результаты электроразведочных исследований, выполненных методами вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и естественных потенциалов (ЕП).
Как известно, наблюдения методом ВЭЗ направлены на получение информации о распределении электрических сопротивлений грунтов в вертикальной плоскости, что дает возможность определить контакты слоев, различающихся по электросопротивлениям, а также выявить локальные области обводненных разуплотненных грунтов.
По результатам исследований методом ВЭЗ плотины Ста-робешевской ТЭС построены разрезы кажущегося (эффективного) сопротивления и геоэлектрические разрезы (рис.5, 6).
1 - геоэлектрический горизонт сухих грунтов в зоне аэрации; 2 - обводненные грунты тела плотины; 3 - слабо контрастные зоны повышенной фильтрации; 4 - влажные глинистые сланцы в зоне интенсивного выветривания; 5 - глинистые сланцы в естественном залегании; 6 - геоэлектрическая граница подошвы плотины и глинистых сланцев; 7 - геоэлектрическая граница подошвы зоны интенсивного выветривания глинистых сланцев
Рис. 5 - Геоэлектрические разрезы и результаты интерпретации данных ВЭЗ по профилю 1 (гребень плотины)
По результатам исследований ВЭЗ тело плотины на разрезах проявляется чашеобразной структурой с выдержанными низкими значениями электросопротивлений, что свидетельствует о практически однородной обводненности слагающих ее грунтов. В теле плотины выявлено две неконтрастные локальные зоны, связанные очевидно с повышенной фильтрацией. Принимая во внимание значительные размеры зон и незначительное понижение электросопротивлений нет оснований определять их как зоны сосредоточенной фильтрации.
ad i M Paioti кажущегося сопротивления AB 2>i
ло —m,1k1.(m, пкз.оо пкя.00
Масштабы: горизонтальный - 1:1000; вертикальный - 1:500
1 - геоэлектрический горизонт мостовой, щебня и подушки; 2 - обводненные грунты тела плотины; 3 - слабо контрастные зоны повышенной фильтрации; 4 - влажные глинистые сланцы в зоне интенсивного выветривания; 5 - глинистые сланцы в естественном залегании; 6 - геоэлектрическая гра-цица подошвы плотины и глинистых сланцев; 7 - геоэлектрическая граница подошвы зоны интенсивного выветривания глинистых сланцев
Рис. 6 - Геоэлектрические разрезы и интерпретации данных ВЭЗ по профилю 2 (берма плотины)
По результатам исследований методом съемки естественных потенциалов выявлены зоны разной интенсивности фильтрации, обусловленные в основном составом и состоянием материала в верхнем бьефе и составом грунтов тела плотины. На примыкании плотины к главному сооружению водосброса выявлена зона условно интенсивной фильтрации.
По результатам полевых наблюдений ЕП построены графики электрического потенциала ф по профилям и карта распределения потенциала ф по площади, проведена геологическая интерпретация результатов исследований (рисунки 7, 8).
Выводы. Таким образом, по геофизическим параметрам установлено, что в теле и основании плотины существует определенная дифференцированность грунтов по упругим и электрическим свойствам, обусловленная различием в составе, строении, их водонасыщенности и технологическими факторами. Однако явно выраженные каналы и пути фильтрации, которые проходили бы через всю плотину, не выявлены, так как не зафиксированы соответствующие аномалии на параллельных профилях.
Наличия зон существенного разуплотнения насыпных грунтов, а также пустот и других неблагоприятных явлений в теле и основании плотины по данным комплексных геофизических ис-
следований, данным бурения и визуального обследования не установлено. Выявленные в нижней части сейсмогеологического разреза на глубинах свыше 50-60 м, соответствующих коренным породам, ряд мелкоамплитудных тектонических нарушений не имеют выходов под основание плотины и не представляют в настоящее время угрозы для её устойчивости.
1 - измеренные значения; 2 - среднее по трем точкам; 3 - аппроксимация полиномом 4-й степени
Рис. 7 - План графиков по результатам наблюдений естественных потенциалов на профилях 1-3
1 - изолинии естественных потенциалов; 2 - зоны низкой фильтрации; 3 - зоны умеренной фильтрации; 4 - зоны повышенной фильтрации; 5 - зона условно интенсивной фильтрации
Рис. 8 - Карта изолиний естественных потенциалов по
данным наблюдений
В целом результаты исследований показывают высокую эффективность использования геофизических методов в решении поставленных задач и достоверность получаемых материалов. Однако для всестороннего анализа поведения отдельных геофизических параметров, характеризующих происходящие в плотине процессы во времени, необходимо проведение режимных (мониторинговых) наблюдений два раза в год: первый цикл - после
снеготаяния и оттаивания грунтов (после стрессовой нагрузки), второй - в период летней межени (стабилизации состояния плотины). Данная рекомендация особенно касается наблюдений естественных фильтрационных потенциалов, определяемых методом ЕП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ляховицкий Ф. М., Хмелевской В. К., Ященко З. Г. Инженерная геофизика. - М.: Недра, 1989. - 252 с
2. Комплексирование методов разведочной геофизики: Справочник геофизика / Под ред. В. В. Бродового, А. А. Никитина. - М.: Недра, 1984. - 384 с.
3. Туманов В. В. Применение комплекса геофизических методов в рамках мероприятий по укрепелению береговой линии в с. Обрыв Новоазовского района [Текст] / В. В. Туманов, М. Ю. Богак,
A. А. Сафин, Е. А. Ялпута, О. Л. Шалованов, Д. С. Бородин - Сб. научн. трудов РАНИМИ № 14-15 (29-30) - Д., 2021. -С. 90-99.
4. Сейсморазведка: Справочник геофизика [Текст] / Под ред. И. И. Гурвича и В. П. Номоконова. - М.: Недра, 1981. - 464 с.
5. Электроразведка: Справочник геофизика [Текст] / Под ред.
B. К. Хмелевского и В. М. Бондаренко. - М.: Недра, 1989. - 438 с.
6. Инструкция по электроразведке: Утв. М-вом геологии СССР 24. 12.81 / М-во геологии СССР - Л.: Недра: Ленингр. отд, 1984. - 352 с ил.
Туманов, Виктор Владимирович, заведующий отделом эколого-геофизических исследований, старший научный сотрудник, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, tum.v@yandex.ru.
Михаил Юрьевич Богак, научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, oegi.donetsk@gmail. com.
Геннадий Павлович Мартынов, старший научный сотрудник отдела эколо-го-геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, oemi@list.ru.
Ялпута Елена Анатольевна, научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, 6217101@mail.ru.
Сафин Анатолий Ахметович, научный сотрудник отдела эколого-
геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, oegi. donetsk@gmail. com.
Шалованов Олег Леонидович, и.о. младшего научного сотрудника отдела эколого-геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, Shalovanovoleg@yandex.ru.
Бородин Дмитрий Сергеевич, ведущий инженер отдела эколого-геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, bordym@yandex.ru.
USING COMPLEX OF ENGINEERING AND GEOPHYSICAL METHODS IN THE RESERCH OF THE BODY AND BASE ON THE EARTH DAM OF THE STAROBESHEVSKAYA TPP
The complex of geophysical researches of the body and the base of the dam of the Starobeshevskaya TPP revealed the zones of the spread of anomalous phenomena, identified weakened zones of ground dams, which began to pay more attention during further work. The analysis of seismic wave velocities, electrical resistivity and natural potential in their body is carried out.
Keywords: dam, refracted wave method, geophysical research, deep layer, filtration, tectonic disturbance.
Victor Vladimirovich Tumanov, head of the department of ecological and geophysical research, senior researcher, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, tum.v@yandex. ru.
Mihail Yurievich Bogak, research associate of the department of ecological and geophysical research, GBU "RANIMI", Donetsk, DPR, oegi. donetsk@gmail. com.
Gennady Pavlovich Martynov, senior researcher at the department of ecological and geophysical research, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, oemi@list.ru.
Yalputa Elena Anatolyevna, research associate of the department of ecological and geophysical research, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, 6217101@mail.ru.
Safin Anatoly Akhmetovich, research associate of the department of ecological and geophysical research, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, oegi. donetsk@gmail. com.
Oleg Leonidovich Shalovanov, acting junior researcher at the department of ecological and geophysical research, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, Shalovanovoleg@yandex.ru.
Borodin Dmitry Sergeevich, Senior Engineer of the Department of Ecological and Geophysical Research, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, bordym@yandex.ru.
