• +421949892474

  • geogroundsk@gmail.com

  • geoground

  • Связаться с нами

Экспрессный метод контроля и прогноза опасных геологических процессов

1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ МЕТОДА

Метод основан на регистрации импульсной электромагнитной эмиссии, возникающей в породах под воздействием различных полей напряжений, образуемых различными геологическими объектами и процессами.

Породы, излучая и переизлучая электромагнитные сигналы, постоянно посылают информацию о своем состоянии и процессах, протекающих в них. Чем интенсивнее процесс излучения электромагнитной энергии, тем более вероятно наличие зон аномальной концентрации механических напряжений в земной коре.

Рис.1. Характерная форма пакета электромагнитного импульса в зоне деформации горных пород

В процессе многочисленных экспериментальных и натурных исследований на различных геологических объектах установлено наличие функциональной зависимости между интенсивностью электромагнитного излучения (ЭМИ) и механическими напряжениями (τ).

Рис. 2. Изменение интенсивности электромагнитной эмиссии пород при нагружении образца породы (а) и при искусственной активизации натурной модели оползня (в).

(а) - зависимость скорости установившейся ползучести от сдвигающих нагрузок.
  - зависимость электромагнитной активности от сдвигающих нагрузок
(в) - график смещения пород.
  - график электромагнитной активности горных пород


2. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫ

Метод регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) реализуется с помощью микропроцессорного аппаратно-программного комплекса "Симеиз-РА".

Рис.3. Прибор "Симеиз - РА".

Поверхностные измерения осуществляются в профильном и профильно-площадном вариантах с помощью прибора "Симеиз - РА". Для глубинных измерений в скважинах применяется скважинный зонд.

Общие эксплуатационные характеристики прибора "Симеиз - РА".

Габаритные размеры - 240 х 200х 100 мм.

Масса - не превышает 2.2 кг.

Автономный режим работы - не менее 8 часов.

Объем памяти - не менее 900 физических пикетов измерений.

Рабочий диапазон температур от -10℃ до +50℃.

Режимы работы - ручной и автоматический, в том числе в режиме мониторинга.

Прибор обеспечивает предварительную обработку данных непосредственно в полевых условиях и позволяет выводить результаты измерений в виде графиков на встроенный дисплей.

Наличие интерфейса позволяет осуществлять экспорт данных в ПК для дальнейшей их обработки.

3. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ МЕТОДОМ ЕИЭМПЗ

Метод регистрации ЕИЭМПЗ в настоящее время успешно применяется в инженерной геологии, инженерной геодинамике, геоэкологии.

Наиболее широко метод используется при изучении опасных геологических процессов, в частности, оползней, провалов, просадок как природного, так и техногенного происхождения. При оценке оползнеопасности территорий решается ряд важных практических задач:

• выявление с поверхности зон концентрации оползневых напряжений в массивах пород, создающих опасность для расположенных в их пределах инженерных сооружений.

В зонах аномальной концентрации напряжений, картируемых по импульсной электромагнитной активности пород, происходят процессы их разрушения. В результате этого основания фундаментов теряют прочность, что приводит к соответствующим деформациям конструкций зданий и сооружений.

Расстояние, м.

Рис. 4. Карта-схема распределения аномально-напряженных зон на оползневом участке по данным наблюдений за ЕИЭМПЗ.

 - озеро
120  - пикеты наблюдений
Границы оползневого тела
существующие
предполагаемые
предполагаемые тектонические нарушения

Своевременное обнаружение аномально-напряженных зон позволяет не допустить разрушения зданий путем укрепления оснований фундаментов.

Для того чтобы разработать и принять эффективные проектные решения по противооползневой защите склонов, необходимо решение следующей основной инженерно-геологической задачи:

• Выявление глубинных напряженных зон в массиве пород, в пределах которых развиваются деформации. Эта задача решается с помощью скважинной модификации метода ЕИЭМПЗ, предполагающей диэлектрическую обсадку скважин.

Рис.5. Блок – диаграмма пространственного распределение напряженных зон на оползневом склоне.

Границы оползневого тела:
существующие
предполагаемые
предполагаемые тектонические нарушения
Зоны концентрации оползневых напряжений:
на поверхности оползня
в скважинах

Экспериментально установлено, что характер распределения параметров ЭМИ, регистрируемых в скважинах, отражает эпюры напряженного состояния пород, которые соответствуют различным типам геомеханических моделей оползней.

Типы деформаций пород на оползневых склонах - поверхностная, глубинная ползучесть, сложные смещения по контактным поверхностям сдвига - определяют и соответствующие особенности изменения параметров ЭМИ в деформируемом массиве.

Рис.6. Характер распределения ЭМИ в скважине в зависимости от типов оползневых деформаций

Рис.7. Определение степени активности выявленных зон сме-щения оползня по совокупности параметров ЭМИ

Распределение ЕИЭМПЗ по глубине:
8.1999
11.1999
плоскости оползневых смещений
зоны оползневых деформаций
1  - объемный сдвиг
2  - глубинная ползучесть
- зона оползневых деформаций
- плоскости скольжения оползня
Приведенные значения ЭМИ:
- мощность спектра
- количество импульсов
- количество пакетов


• Определение глубины, размеров и формы деформационных зон, получаемых по изменению параметров ЭМИ в скважинах, дают возможность осуществлять выбор эффективных проектных решений по защите склонов от оползания.

Исследования методом ЕИЭМПЗ, проводимые на оползнях как с поверхности, так и в скважинах в режиме мониторинга, позволяют осуществлять контроль развития оползневых деформаций на склонах, а также состояния удерживающих противооползневых сооружений.

• Актуальной задачей инженерной геологии является определение степени опасности оползневого процесса и его влияния на устойчивость оснований сооружений. Решение такой задачи методом ЕИЭМПЗ становится возможным при условии измерений параметров ЭМИ в скважинах в режиме мониторинга.

Предвестником вступления оползня в стадию ускоренного смещения, при котором происходят опасные необратимые разрушения фундаментов и конструкций зданий, являются высокоаномальные значения ЭМИ в зонах развития деформаций. Точность оценки состояния устойчивости оползневых и оползнеопасных склонов во многом зависит от возможности определения стадии развития деформаций пород в зонах смещения. Традиционные аналитические способы, основанные на решении задач механики грунтов, не позволяют решить эту задачу достаточно объективно применительно к натурным оползневым моделям.

В результате многочисленных полевых исследований установлены определенные сочетания параметров ЭМИ характеризующие степень активности оползневого процесса. По изменению этого комплекса параметров осуществляется разделение обнаруженных зон скольжения на активные и неактивные.

Рис. 8. Определение степени опасности оползневого процесса по изменениям параметров ЭМИ в режиме мониторинга.

  Распределение параметров ЭМИ по глубине
зоны оползневых деформаций
плоскости оползневых смещений
количество импульсов ЭМИ
количество пакетов ЭМИ
глубинные деформации

Графики:

а) - стадия подготовки к смещению, 10.04.1999,

б) - стадия предразрушения, 5.10.1999,

в) - стадия деформации, 10.12.1999

Современные урбанизированные территории в пределах городских агломераций, испытывающие высокую техногенную нагрузку, характеризуются, зачастую, проявлением катастрофического характера активизации оползней или других опасных процессов, приводящих к тяжелым негативным социальным последствиям.

• В том случае, когда такое событие уже произошло, очень важной задачей является осуществление оперативного контроля состояния устойчивости застроенных территорий, прилегающих к границе активизирующегося оползня и оперативно спрогнозировать дальнейшее его пространственное развитие.

Рис.9. Карта-схема распределения напряжений на активизировавшемся оползне (Закарпатье).

границы и тело оползня
постоянные и временные водотоки
Дороги:
- действующие
- разрушенные паводком
- жилые постройки
Зоны концентраций оползневых напряжений (по данным ЕИЭМПЗ, имп/с):
слабо напряженные (< 800)
напряженные (800- 1000)
опасно напряженные (>1000)
профили ЕИЭМПЗ

Следовательно, с применением метода ЕИЭМПЗ можно оперативно решать различные задачи по контролю и прогнозу развития опасных геологических и эколого-геологических процессов в чрезвычайных ситуациях, когда создается угроза разрушения целых жилых микрорайонов города.

В качестве примера эффективного применения метода ЕИЭМПЗ при изучении опасных техногенных процессов можно привести результаты исследований провальных процессов над выработками в Словакии (Елшава). Здесь в результате подземной камерной добычи руды сформировались значительные пустые пространства в массивах пород, что привело к нарушению их естественного напряженного состояния и образованию глубоких провалов над ними.

• Результаты изучения напряженного состояния отработанного массива методом регистрации ЕИЭМПЗ дали возможность выявить потенциально неустойчивые участки массива пород с аномальной концентраций напряжений, в пределах которых наиболее вероятно образование новых провалов.

Рис.10. Карта распределения аномально-напряженных зон над камерными выработками.

проекция горных выработок на поверхность
 
- провалы - аномалии ЕИЭМПЗ

• В угледобывающих регионах над отработанными пустыми пространствами целые населенные районы поражены просадочными процессами, при которых образуются мульды проседания. Картирование и прогноз развития таких мульд является актуальной задачей инженерной геодинамики.

• Перспективным направлением применения метода ЕИЭМПЗ является оценка состояния оползнеопасности участков протяженных линейных инженерных сооружений, особенно в геодинамически активных регионах горно-складчатых областей. К таким объектам можно отнести автомобильные и железные дороги, газопроводы, продуктопроводы, различные коммуникации.

Рис.11. Картирование зон развития просадочных процессов над подземными выработками.

- проекция выработки на поверхность


Рис. 12. Прогноз оползнеопасных участков дороги по аномальному проявлению ЕИЭМПЗ.

- контур существующих оползней - автодорога
- аномально-напряженные участки дороги    

• В сложных инженерно-геологических условиях зачастую деформации сооружений обусловлены наличием зон активных неотектонических нарушений в основаниях фундаментов. В этом случае необходимо оценивать геоструктурные условия массивов пород, на которых расположены или будут располагаться инженерные сооружения.

Для решения этой задачи разработана эффективная методика, основанная на определении анизотропии ЕИЭМПЗ.

Рис. 13 Картирование зон активных тектонических нарушений в основаниях сооружений по анизотропии ЭМИ.

- тектоническое нарушение

В данном проспекте кратко изложены основные направления применение метода ЕИЭМПЗ в инженерной геодинамике.