Методические особенности геофизических исследований при строительстве объектов переработки и долговременного хранения радиоактивных отходов ВМФ в Северо-Западном регионе России

ГОРНОЕ ДЕЛО

УДК622.02.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОБЪЕКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ

И ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ВМФ В СЕВЕРО-ЗАПАДНОМ РЕГИОНЕ РОССИИ

В. П. Конухин, Н. Н. Абрамов, Е. В. Кабеев

ФГБУН Горный институт КНЦ РАН

Аннотация

Рассмотрены методологические аспекты и приведены конкретные результаты геофизического контроля за состоянием грунтового основания при возведении объектов повышенной ответственности в западном секторе Российской Арктики на примере строительства объектов переработки и долговременного хранения радиоактивных отходов (РО) 120 реакторных отсеков утилизируемых атомных подводных лодок (ПДХ РО АПЛ) в Сайда-Губе. Ключевые слова:

микросейсмическое районирование, уплотнение грунтов, сейсмотомография, скорость волны, допустимый диапазон, физико-механические свойства.

METHODICAL PARTICULARITIES IN GEOPHYSICAL STUDIES WHEN CONSTRUCTING PROCESSING AND LONG-TERM STORAGE FACILITIES FOR NAVY'S RADIOACTIVE WASTE IN THE RUSSIAN NORTHERN-WESTERN REGION

Vladimir P. Konuhin, Nikolai N. Abramov, Evgeny V. Kabaev

Mining Institute of the KSC of the RAS

Abstract

The article deals with methodological aspects and gives specific results of geophysical control over foundation soil state while constructing facilities of enhanced responsibility in the West Sector of the Russian Arctic based on the example of construction of Long-term Storage Facility for 120 reactor compartments of dismantled nuclear submarines (LSF NS) in Saida Bay.

Keywords:

microseismic zoning, soils hardening, seismic tomography, wave velocity, permissible range, physical-chemical properties.

Введение

Арктика - уникальный регион нашей планеты, роль которого как на российском, так и на глобальном уровне трудно переоценить. Именно в Арктике находится значительная часть ещё нетронутых ресурсов минерального сырья и прежде всего углеводородов. Учитывая предстоящее освоение шельфа и развитие транспортной

инфраструктуры в акватории Северного Ледовитого океана и арктических морей, особую значимость приобретают задачи обеспечения безопасности окружающей среды в регионе. При этом одна из первоочередных задач - обеспечение радиационной и ядерной безопасности, напрямую связанное с ликвидацией наследия холодной войны и многолетней деятельности подводного атомного флота ВМФ и Атомного ледокольного флота РФ. Этим целям служит наземный Пункт долговременного хранения 120 реакторных отсеков утилизируемых атомных

подводных лодок (ПДХ АПЛ) и объект переработки в Сайда-Губе, к строительству которого были предъявлены самые высокие требования по безопасности, а проводимые при его строительстве оперативные геофизические исследования были направлены на информационное сопровождение строительства.

Методы исследований

Требования решения инженерных проблем строительства поставили задачи получения информации о сейсмичности участка строительства для проведения замещения слабых грунтов на скально-щебеночную смесь с обеспечением максимально высоких плотностных характеристик грунта. Для этих целей использован геофизический мониторинг вмещающих грунтов на основе метода пространственно-временной томографии среды (СПВТ). В результате проводимых исследований предложены и внедрены оригинальные методики построения геолого-геофизических разрезов для осуществления микросейсмического районирования площадки строительства, уточнения структуры подстилающего породного массива и, что не менее важно, оперативного мониторинга качества уплотнения замещенных грунтов в пространстве и во времени.

Использование специальных эталонных блоков уплотненных скально-щебеночных грунтов и сравнение с их параметрами вновь возводимых насыпей позволило обеспечить создание единого стабильного основания под всеми сооружениями и строениями объектов.

Методика проведения микросейсморайонирования

На начальной стадии работ на базе метода сейсмической томографии была разработана методика расчета поправок сейсмической балльности по фактически определенным в натурных условиях характеристикам сейсмических жесткостей различных по составу и структуре блоков пород обследуемого участка с использованием корреляционных зависимостей «скорость сейсмической волны - плотность пород».

Для реальной слоистой среды средняя сейсмическая жесткость пород в разрезе определяется из выражения: £У i -УРг  hi £ h

Сср.= г ,

где рср. - средняя сейсмическая жесткость породы в разрезе; Yi - плотность слоя породы, т/м3; V

Рг

- скорость продольной сейсмической волны слоя породы, м/сек; hi - мощность слоя породы, м.

Другим фактором, влияющим на сейсмическую балльность, является уровень грунтовых вод. На основе анализа результатов выполнения сейсмического районирования в различных горно-геологических условиях в работе использовано следующее выражение для оценки величин поправок к балльности [1-3]:

п = 1.67[LgV  у0) - Lg

где п - поправка к балльности; (Р0-уо) - сейсмическая жесткость породы, принятой за эталон; Н - глубина залегания грунтовых вод, м.

Как видно из выражения (2), для оценки поправок п необходимо определить в натурных условиях величины средней сейсмической жесткости пород рср, обосновать выбор эталонного грунта (¥0^0) и оценить уровень грунтовых вод на участке строительства.

Отличие предложенной методики состоит:

• в более детальном описании массива по величинам фактических скоростей Vр и плотностей Т1 благодаря использованию при натурных измерениях метода сейсмической томографии и корреляционных соотношений «плотность - скорость продольной волны», устанавливаемых при лабораторных испытаниях грунтов;

• в оценке характеристик эталонного грунта ¥0, у0, которые для реальных условий определяются как средневзвешенные значения скоростей и плотностей для пород I категории

по данным натурных сейсмотомографических измерений скоростей сейсмических волн и корреляционным соотношениям:

Е с

I ср.взв./

У 0 = "-,

т

где уср.взв., - средневзвешенное значение плотности по профилю.

Сейсмотомографические исследования при проведении микросейсморайонирования основываются на анализе инженерно-геологических особенностей обследуемого участка с использованием данных разведочного бурения и оценки уровней грунтовых вод. При этом выполняется:

- определение средних сейсмических жесткостей вмещающих пород и грунтов рср, глубин залегания коренных пород в реальных разрезах массива по данным натурных сейсмических измерений;

- выявление структурно-ослабленных зон массива по дифференциации скоростей сейсмических волн (выявление низкоскоростных зон массива в коренных породах основания как наиболее неоднородных и трещиноватых участков), построение карт поправок сейсмической балльности массива.

Натурные измерения скоростей сейсмических волн выполнены методом продольного сейсмического профилирования с возбуждением сейсмических волн ударным способом.

Для построения скоростных разрезов и преломляющих границ в глубь массива использована регистрация времен первых вступлений преломленных сейсмических волн (МПВ), включает портативную цифровую 24-канальную сейсмостанцию «Микросейс-160» (McSeis-160, Япония).

Методика контроля уплотнения грунтов

При строительстве площадки ПДХ наносные и частично четвертичные отложения замещены скально-щебеночной смесью. Уплотнение грунтов осуществлялось с использованием виброкатков. Мощность замещаемого слоя грунтов на площадке достигала 9-10 м, что определило высокую эффективность использования для контроля уплотнения оперативных методов поверхностной сейсморазведочной томографии, основанных на взаимосвязи скоростей продольных сейсмических волн и степени уплотнения грунта. Авторами разработана методика, учитывающая технологию замещения и сложные климатические условия побережья Баренцева моря (градиенты температур, приливно-отливные явления). Однако здесь следует говорить об относительных оценках уплотнения в режиме мониторинга, обеспечивающего неразрушающий контроль значительных площадей и глубин обследования. В такой постановке методически необходимо решить две основные задачи: установление взаимосвязей скоростей продольных сейсмических волн и уплотнения грунта и влияние влагонасыщения грунтов на результаты оценки качества их уплотнения.

Коэффициент уплотнения грунта определяется из выражения:

V V и т = ( р% )Р,

где Ур,-, Уртах - текущее и максимальное значения скоростей продольных сейсмических волн в замещаемом слое грунта, соответствующие текущей и максимально достижимой плотностям грунта при уплотнении, км/с; в - показатель степени.

Таким образом, задача сводится к определению допустимого диапазона скоростей (Ур, ^ Уртах), удовлетворяющего проектно заданному уплотнению т. Методика оценки Уртах сводится к следующему. Вначале оценивается максимально достижимые плотности грунта ус тах и

допустимый интервал уплотнения (ус тах ^ m • yc тах). Для этого можно использовать целый ряд известных методик [например 4, 5], взаимосвязь пористости грунта и скорости продольной волны:

n = (V п/ V .- 1)/(V / V -1), г p0 pi p0 р.зап

где Vp0 - скорость продольной волны в скальной отдельности грунта; Vp г - скорость продольной волны в грунте, измеренная в реальных натурных условиях; Vp зап - скорость продольной волны в заполнителе пор грунта.

Во всех проведенных рассуждениях речь идет о показателях сухого грунта. Для оценки фактического состояния грунтов с учетом влагонасыщения используется относительный показатель отношения скоростей сейсмических волн Vs/Vp, где Vp, Vs - скорости продольной и поперечной сейсмических волн. Соотношение скоростей продольной и поперечной сейсмических волн характеризуют коэффициент Пуассона среды (коэффициент поперечной деформации) - характеристику состояния и деформируемости среды. Для жидких сред величина v приближается к 0.5. Таким образом, влагонасыщение грунтов способствует росту величин коэффициента Пуассона среды.

Используя корреляционные соотношения для слоя замещенных грунтов, исходя из заданного проектного коэффициента m=0.91-0.95, был установлен допустимый интервал изменения скоростей упругих волн Vp в грунте, составляющий (0.65- 0.85) км/c, причем водонасыщенным грунт принимается при Vs/Vp < 0.30.

Проверка изложенных теоретических представлений о формировании состояния грунтов обратной засыпки осуществляется по измерениям, выполненным в специально созданном на площадке ПДХ эталонном блоке грунта с параметрами: мощность грунтов обратной засыпки 5.0-8.0 м, длина-ширина блока 50х50м. Предельное уплотнение было достигнуто за четыре прохода виброкатка, при этом скорости продольных сейсмических волн, характеризующие это состояние, достигли значений 0.8-1.0 км/с. Все результаты измерений на площадке соотнесены с результатами, полученными на эталонном блоке.

Сейсмоизмерения производились с использованием 24-канальной цифровой сейсмостанции «Elliss» (сертификат соответствия рег. № ССГП 01.1.1.-125). Расчеты скоростных кинематических разрезов при моделировании и при обработке данных натурных наблюдений выполнены с использованием программного томографического пакета «XTomo» (version 1.0, разработка компании X-Geo, г. Санкт-Петербург, лицензия А-545).

Результаты исследований и их использование

Пример сейсмотомографического скоростного разреза из измерительных профилей на площадке Сайда-Губа представлен на рис. 1.

по

одному

Профиль 2

Линия рельефа

Прогнозная зона дробления

40 60 80

Длина профиля, м

Ю Ю Ю Ю Ю W.

сЬююю^г^гсосоЫсмт-

п

Скорость продольной волны, Vp, км/с

Область четвертичных отложений

] °бласть упл°тненных, °бв°дненных |—| область коренных пород

грунтов, трещиноватых коренных пород

Рис. 1. Сейсмотомографический скоростной разрез массива по профилю 2

Разделение скоростного сейсмотомографического разреза по геологическим характеристикам пород выполнено исходя из условия: Grad Vp>60 %, где Grad Vp - градиент скорости продольной волны в вертикальном разрезе. Результаты расчета поправок сейсмической балльности по данным сейсмотомографических измерений и с учетом реальных уровней грунтовых вод по скважинам, полученные по результатам комплексной оценки несколькими методами, включая метод инженерно-геологических аналогий, наблюдений за колебаниями от землетрясений и микросейсм, территории площадки ПДХ представлена на рис. 2. Использование результатов корректировки балльности на территории площадки размещения объектов повышенной ответственности позволило избежать необоснованных расходов на усиление несущих конструкций, исчисляемых миллионами евро (общая стоимость объектов Сайда-Губы составляет 650 млн евро).

Поправки к балльности

Рис. 2. Карта распределения расчетных поправок сейсмической балльности по результатам исследований на площадке ПДХ: --сейсмические профили

В качестве примера, иллюстрирующего возможности разработанной методики по контролю уплотнения замещенных грунтов, приведены сейсмотомографические разрезы скоростей продольной (а) и поперечной (б) сейсмических волн по одному из профилей на площадке (рис. 3). Мощность насыпных грунтов варьирует от 4.5 до 8 м.

Зона низких скоростей продольных волн в поверхностном слое грунта, не удовлетворяющая условию достаточного уплотнения по скорости продольной волны ^р<0.65 км/с (белая палитра рисунка ПК 35-40), фиксируется в самой приповерхностной части и незначительна. Внутри слоя засыпки на отметках +1-2 м фиксируются незначительные локальные зоны (менее 1 % распространенности на участке) с пониженным значением соотношения ¥ц/¥р в диапазоне 0.35-0.4. Выявленные локальные зоны с пониженными плотностными характеристиками были дополнительно уплотнены виброкатками, что позволило полностью исключить просадки грунта под стапельной плитой и фундаментами ПДХ РО АПЛ и ЦКДХ РАО.

Рис. 3. Томограммы скоростей продольных (а), поперечных (б) волн и соотношения Ух/Ур (в) по данным натурных измерений

Заключение

Полученные результаты позволили откорректировать исходную сейсмическую информацию. В местах выхода скальных коренных пород к свободной поверхности сейсмическая балльность была снижена на 0.35-1.3 балла относительно исходной. На участках площадки с высоким уровнем грунтовых вод и мощным слоем наносных грунтов и четвертичных отложений (примерно до 25 % территории площадки) величины превышений сейсмичности к расчетной могут достигать 0.6-0.9 балла, но не превышают 1.0 балла. Контроль уплотнения грунтов обратной засыпки позволил оперативно выделять участки с т < 0.95-1.0, (где т -проектный коэффициент уплотнения грунтов) для своевременного проведения дополнительного уплотнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Медведев С. В. Инженерная сейсмология. М., 1962. 283 с. 2. Сейсмическое микрорайонирование и техногенез: сб. ст. / под ред. Н. И. Кригер. М., 1985. 102 с. 3. Республиканские строительные нормы. РСН 60-86. Инженерные изыскания для строительства. Сейсмическое микрорайонирование. Нормы производства работ. М.: Госстрой РФ, 1987. 11 с. 4. Жарницкий В. Я. Оценка качества укладки горной массы из известняков в упорные призмы каменно-земляных плотин // Гидротехническое строительство. 2004. № 12. С. 22-25. 5. Савич А. И., Ященко З. Г.

Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М.: Недра, 1979. 213 с.

Сведения об авторах

Конухин Владимир Пантелеймонович - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ФГБУН Горного института Кольского научного центра РАН; e-mail: vladimir@goi. kolasc.net.ru

Абрамов Николай Николаевич - кандидат технических наук, и. о заведующего лабораторией ФГБУН Горного института Кольского научного центра РАН; е-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru

Кабеев Евгений Владимирович - ведущий технолог ФГБУН Горного института Кольского

научного центра РАН;

e-mail: kabeev@goi.kolasc.net.ru

About the author

Vladimir P. Konukhin - Dr. Sci. (Eng.), Professor, head of lab. of the Mining Institute of the KSC of the RAS; e-mail: vladimir@goi.kolasc.net.ru

Nikolay N. Abramov - PhD (Eng.), alternate head of lab. of the Mining Institute of the KSC of the RAS; е-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru

Evgeny V. Kabeyev- leading technologist of the Mining Institute of the KSC of the RAS; e-mail: kabeev@goi.kolasc.net.ru

Библиографическое описание статьи

Конухин В. П. Методические особенности геофизических исследований при строительстве объектов переработки и долговременного хранения радиоактивных отходов ВМФ в СевероЗападном регионе России / В. П. Конухин, Н. Н. Абрамов, Е. В. Кабеев // Вестник Кольского научного центра РАН. - 2016. - № 1. - С. 52-58.

Bibliographic Description

Vladimir P. Konuhin, Nikolai N. Abramov, Evgeny V. Kabeev. Methodical Particularities in Geophysical Studies at Constructing Facilities for Processing and Long-Term Storage of Navy Radioactive Waste in the Northern-Western Region Of Russia. Herald of the Kola Science Centre of the RAS. 2016, vol. 1, pp. 52-58.