Способ определения физико-механических и морфометрических характеристик ледовых торосистых образований
METHOD OF DETERMINING PHYSICAL AND MECHANICAL AND MORPHOMETRIC CHARACTERISTICS OF ICE HUMMOCK FORMATIONS

Изобретение относится к измерениям, а более конкретно, связано с применением устройств для определению силы, напряжения, толщины и является способом для определения физико-механических и морфометрических характеристик ледовых торосистых образований (торосы и стамухи), таких как размер, внутреннее строение, распределение прочности, температуры, солености и плотности льда в торосах и стамухах. Такие данные могут быть использованы при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений с целью их безопасной эксплуатации на шельфе замерзающих морей и для решения задач ледового плавания.
Известен способ определения структуры торосов и стамух, в том числе толщины ледовых образований в точках бурения, которое производится водяным термобуровым снарядом при подаче в него горячей воды или снарядом с электронагревательной коронкой /1/. Строение торосов и стамух определяется по скорости проходки термобурового снаряда, а распределение толщин торосистых образований фиксируется по результатам бурения в узловых точках равномерной сетки, которая разбивается на поверхности торосов или стамух с заданным шагом.
Недостатком указанного способа является невозможность получения физико-механических характеристик торосистых образований по изменению скорости движения бурового снаряда. Кроме того дискретное измерение размеров торосистых образований не дает необходимой точности оценки их объема и массы, связанное с некоторым завышением размеров паруса и существенным уменьшением размеров киля, вызванным, как правило, с природным смещением киля относительно паруса торосов.
Известен, принятый за прототип, способ определения характеристик прочности ровного льда и ледовых образований в натурных условиях при внедрении индентора с помощью гидроцилиндра в стенку скважины при его распирающем воздействии с одной стороны и ограничении перемещения гидроцилиндра при помощи опорной плиты с противоположной от индентора стороны (зонд-индентор) /2/.
Недостатком указанного способа является также невозможность определения плотностных границ в торосах и стамухах вследствие больших размеров индентора и образования значительной зоны разрушения льда при внедрении индентора в стенку скважины, что вызывает необходимость проводить испытания по глубине скважины с шагом, в несколько раз превышающим размер индентора. При этом шнековое бурение является трудоемким процессом и не обеспечивает необходимой точности оценки вертикальных размеров тороса или стамухи.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в определении физико-механических и морфометрических характеристик торосов и стамух. Указанный технический результат достигается путем действий, связанных с применением термобурения для определения внутреннего строения торосистых образований, зонд-индентора для определения прочностных характеристик ледовых образований в скважинах, тахеометрической съемки верхней поверхности торосов и стамух с целью координатной привязки реперных точек, нанесенных на торосистые образования, объемных съемок верхней поверхности ледяного образования (паруса) при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и подводной части (киля) ледяного образования при помощи профилирующего гидролокатора. Для этого на поверхности тороса перпендикулярно и параллельно гребню размечаются секущие профили с заданным шагом, которые начинаются и заканчиваются на ровных участках ледяного покрова. В узлах такой сетки проводят бурение при помощи водяного термобура или электротермобура (в зависимости от решаемых задач) с записью на компьютер (логгер). В результате по записи бурения определяют характеристики внутренней структуры в скважине для паруса и киля, включая границы слоев льда различной плотности, границы и толщину консолидированного слоя, пористость, а также общую протяженность скважины тороса до воды или до донного грунта в случае стамухи и распределение этих значений по площади тороса или стамухи. По результатам бурения выявляют на качественном уровне наиболее характерные или максимальные по толщине области консолидированного слоя, паруса и не консолидированной части киля. В каждой из таких точек для получения физико-механических характеристик льда производят следующие действия. При помощи керноотборника выбуривают скважину для проведения испытаний прочности льда в горизонтальной плоскости зонд-индентором /3/. Далее для проведения испытаний прочностных характеристик в парусе до верхней границы консолидированного слоя и киле тороса от нижней границы консолидированного слоя (не консолидированная часть киля) на гидроцилиндр зонда устанавливается индентор в виде сегмента цилиндра, по размерам совпадающий с размерами опорной плиты. В этом случае испытания проводятся с нагружением стенки скважины в обоих направлениях. Размер индентора обеспечивает необходимое нагружение в среде, сформированной из обломков льда, а меньшая прочность такой среды по сравнению с ровным льдом и с консолидированной частью тороса позволяет определить ее прочностные характеристики при низких значениях напряжения внедрения и уменьшенной величине внедрения. Для проведения испытаний прочности льда в консолидированном слое зонд-индентор извлекается из скважины, вместо индентора в виде сегмента цилиндра, совпадающего по площади с опорной плитой, устанавливают индентор на порядок меньше площади опорной плиты. Далее зонд-индентор опускают в скважину до уровня консолидированного слоя и проводят испытания прочности льда с внедрением индентора в стенку скважины относительно опорной плиты. В зависимости от толщины консолидированного слоя проводят несколько испытаний, опуская зонд в скважину. Выбуренный керн помещают в термочехол. В керне непосредственно через термочехол по всей его длине с заданным шагом просверливают отверстия до середины керна, в отверстия последовательно вводят термощуп электронного термометра и производят измерения температуры льда. Таким образом определяют распределение температуры льда по всей толщине ледяного образования. Далее керн извлекают из термочехла, визуально описывают его текстуру и разрезают на образцы в виде дисков толщиной около 20 мм, исключая слои, в которых были просверлены отверстия под термощуп электронного термометра. Образцы в виде дисков, по мере их изготовления, помещают в полевую испытательную машину (ПИМ-200) /4/ и проводят испытания прочности при центральном изгибе. При этом испытания прочности при центральном изгибе образцов льда в виде дисков проводят последовательно для паруса до верхней границы консолидированного слоя, для консолидированного слоя и неконсолидированной части киля торосистых образований. Кроме того, после каждого испытания разрушенные диски помещают в герметичные контейнеры, в которых лед расплавляется и выдерживается до комнатной температуры. Затем проводят измерение проводимости жидкости кондуктометром и по номограмме переводят в соленость льда /3/. На основании таких измерений получают распределение солености льда по толщине ледяных образований для паруса, консолидированного слоя и киля.
Далее в непосредственной близости от первого керна керноотборником отбирают второй керн на всю толщину тороса или стамухи, который распиливают на образцы цилидрической формы, высота которых превосходит диаметр минимум в два с половиной раза в соответствии с рекомендациями СП 11-114-2004 /5/. У каждого образца определяют объем и вес, и на основании этих измерений определяют плотность льда. Таким образом получают распределение плотности льда по толщине ледяных образований в парусе, консолидированном слое и неконсолидированной части киля. После этого цилиндрические образцы подвергаются испытаниям прочности при сжатии в полевом прессе /3/, в результате получают распределение прочности льда при сжатии по толщине торосистых образований в парусе до верхней границы консолидированного слоя, в консолидированном слое и в неконсолидированной части киля в плоскости, перпендикулярной нарастанию льда. В скважине, полученной после извлечения второго керна, проводят испытания при помощи зонд-индентора аналогично описанным выше с целью повышения точности измерений за счет увеличения статистически значимого количества испытаний.
Общие размеры паруса (трехмерная модель рельефа) торосистого образования определяется следующим образом. В характерных точках термобурения и определения физико-механических характеристик торосистых образований проводятся определения координат в условной или географической системах координат и высот этих точек относительно уровня моря. Для этого используется, например спутниковое геодезическое оборудование, работающее на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, или электронный тахеометр. Перед выполнением съемки на ледовые объекты наносятся опорные знаки контрастирующего цвета в виде пятна или креста, в том числе и на места проведения термобурения и испытаний физико-механических характеристик льда. После координатной и высотной привязок применяется, например, беспилотный летательный аппарат мультироторного типа (БПЛА), укомплектованный блоком, содержащим фото- и видеокамеру фиксации в видимом диапазоне. При помощи специальных программ результаты съемки позволяют отображать поверхности торосистых образований в виде регулярной сетки значений высот, а именно создание цифровой карты высот надводной части торосистых образований. Для контроля качества получаемых при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа цифровых трехмерных моделей рельефа параллельно выполняется планово-высотная съемка полигона, разбитого на торосистом образовании. Такая съемка осуществляется при помощи электронного тахеометра, который последовательно устанавливается на ровном ледяном покрове на четырех пикетах, расположенных вокруг торосистого образования и выбранных в зависимости от горизонтальных и вертикальных размеров тороса или стамухи, и связанных между собой замкнутым теодолитным ходом. С этих пикетов осуществляется угловая и линейная съемки тороса или стамухи с привязкой измерений к уровню моря. Кроме того, определяются географические координаты пикетов установки электронного тахеометра при помощи спутникового геодезического оборудования или съемка в плане осуществляется в условных координатах электронным тахеометром.
Для съемки подводных частей ледовых образований (килей) применяется, например, профилирующий гидролокатор бокового обзора, оборудованный приводом вращения и модулем ориентации, что позволяет получать при помощи специальных программ цифровую модель рельефа киля (ЦМРК) тороса или стамухи. Для этого на тех же пикетах, на которых проводится тахеометрическая съемка, вырезаются майны, над ними устанавливается тренога с ручной или электрической лебедкой, и на стальном тросе на заданную глубину опускается гидролокатор и проводится съемка. Степень получаемой детализации цифровой модели рельефа киля (ЦМРК) регулируется настройкой шага сканирующего луча гидролокатора. В результате гидролокационной съемки получают трехмерное изображение подводных частей ледовых объектов.
Визуальное уточнение результатов работы гидролокатора бокового обзора осуществляется при помощи видеосъемки киля тороса или стамухи телеуправляемым подводным аппаратом (ТПА) типа «ГНОМ» или аналогичным устройством. Для этого телеуправляемый подводный аппарат погружается в те же майны, что и гидролокатор бокового обзора, и производится видеозапись килей торосистых образований.
Способ определения физико-механических и морфометрических характеристик торосов и стамух поясняется схемой, приведенной на фиг. 1, на которой представлен торос 1 в разрезе по одному из секущих профилей (на фиг. 1 стамуха не приводится). Торос состоит из паруса 2, консолидированного слоя 3, неконсолидированной части киля 4 и окружен ровным ледяным покровом 5. При этом выше уровня моря 6 находится часть консолидированного слоя 3 и парус 2. Ниже уровня моря 6 находится большая часть консолидированного слоя 3 и неконсолидированная часть киля 4. На фиг. 1 условно обозначен донный грунт 7. На поверхности тороса перпендикулярно и параллельно гребню размечаются секущие профили с заданным шагом, которые начинаются и заканчиваются на ровных участках ледяного покрова 5. В узлах такой сетки проводят термобурение скважин 8 водяным буром или буром с электрической коронкой. Бурение проводится последовательно в парусе 2, консолидированном слое 3 и в неконсолидированной части киля 4. По результатам термобурения определяют места проведения физико-механических испытаний в торосистых образованиях, в которых керноотборником выбуривают два керна (скважины 9) на всю толщину тороса или стамухи. Один керн используется для определения текстуры, профиля температуры и солености льда, а также из него подготавливаются образцы льда в виде дисков для получения прочности образцов при центральном изгибе. Такие испытания проводятся последовательно в парусе 2, консолидированном слое 3 и неконсолидированной части киля 4. Второй керн разрезается на цилиндрические образцы, высота которых в два с половиной раза больше диаметра. Цилиндрические образцы измеряются и взвешиваются на электронных весах. На основании этих измерений получают плотность льда в парусе, консолидированном слое и киле. Далее проводят испытания прочности цилиндрических образцов льда при сжатии в полевом прессе (на фиг. 1 не приводится). Таким образом получают распределение прочности льда в торосистых образованиях перпендикулярно поверхности нарастания ледяного покрова. Кроме того, во всех скважинах 9, выбуренных керноотборником, проводят испытания прочности льда при помощи зонд-индентора в горизонтальной плоскости параллельно поверхности намерзания ледяного покрова (на фиг. 1 не приводится).
Для определения геометрических размеров паруса торосистых образований применяется беспилотный летательный аппарат 10 мультироторного типа (БПЛА), укомплектованный блоком, содержащим фото- и видеокамеру фиксации в видимом диапазоне (на фиг. 1 не приводятся). Перед применением БПЛА 10 осуществляется определение координат и высот относительно уровня моря 6, характерных точек полигона 8, 9, в которых проводится термобурение и определение физико-механических характеристик торосистых образований. Для этого используется спутниковое геодезическое оборудование, работающее на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводятся), или электронный тахеометр. В этих местах на ледовые объекты наносятся опорные знаки контрастирующего цвета. Для контроля качества данных, получаемых беспилотным летательным аппаратом 10, выполняется планово-высотная съемка полигона, разбитого на торосистом образовании 1. Такая съемка осуществляется при помощи электронного тахеометра 11 и отражателя 12, который перемещается по выбранным характерным точкам полигона 8, 9; тахеометр 11 последовательно устанавливается на ровном ледяном покрове на четырех пикетах 13 (на фиг. 1 представлены два пикета), расположенных вокруг торосистого образования 1 и выбранных в зависимости от горизонтальных и вертикальных размеров тороса или стамухи; с этих пикетов 13 осуществляется угловая и линейная съемки тороса 1 или стамухи с привязкой измерений к уровню моря 6. Кроме того определяются географические координаты пикетов 13 при помощи спутникового геодезического оборудования, работающего на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводится), или электронным тахеометром в условной системе координат.
Съемка подводных частей торосистых образований (килей 4) проводится с помощью профилирующего гидролокатора бокового обзора 14 и осуществляется с тех же пикетов 13, что и съемка тахеометром 11. Для этого во льду на пикетах 13 вырезаются четыре майны (на фиг. 1 приведены две майны), над ними устанавливается тренога 15 с ручной или электрической лебедками; на стальном тросе на заданную глубину опускается гидролокатор 14 и проводится съемка киля 4. Все измерения привязываются к поверхности уровня моря 6. Визуальное уточнение работы гидролокатора бокового обзора 14 обеспечивается телеуправляемым подводным аппаратом 16 (ТПА) типа «ГНОМ» или аналогичным устройством. Для этого телеуправляемый подводный аппарат 16 погружается на пикетах 13 в те же майны, что и гидролокатор бокового обзора 14, и производится видеозапись килей торосистых образований.
Способ определения физико-механических и морфометрических характеристик торосистых образований осуществляется следующим образом. На поверхности тороса 1 или стамухи (стамуха на фиг. 1 не представлена) проводят разбивку секущих профилей с заданным шагом, проходящих параллельно и перпендикулярно гребню тороса или стамухи. На профилях в узлах равномерной сетки намечают точки термобурения 8. В этих точках проводят бурение при помощи водяного термобура или электротермобура (в зависимости от решаемых задач) с записью на компьютер (логгер) для определения вертикальных размеров и строения паруса 2, консолидированного слоя 3 и неконсолидированной части киля 4. Далее по результатам термобурения выбирают характерные места для бурения керноотборником скважин 9, в которых проводят испытания с помощью зонд-индентора. Для проведения испытаний прочностных характеристик в парусе и киле тороса на гидроцилиндр зонда устанавливается индентор в виде сегмента цилиндра, по размерам совпадающий с размерами опорной плиты. В этом случае испытания проводятся с нагружением стенки скважины в обоих направлениях. Размер индентора обеспечивает необходимое нагружение в среде, сформированной из обломков льда, а меньшая прочность такой среды по сравнению с ровным льдом и с консолидированной частью тороса позволяет определить ее прочностные характеристики при низких значениях напряжения внедрения и уменьшенной величине внедрения. Для проведения испытаний прочности льда в консолидированном слое зонд-индентор извлекается из скважины 9, вместо индентора в виде сегмента цилиндра, совпадающего по площади с опорной плитой, устанавливают индентор, по площади на порядок меньше площади опорной плиты. Далее зонд-индентор опускают в скважину 9 до уровня консолидированного слоя 3 и проводят испытания прочности льда с внедрением индентора в стенку скважины относительно опорной плиты. В зависимости от толщины консолидированного слоя 3 проводят несколько испытаний, последовательно опуская зонд в скважину 9. При этом предварительно выбуренный керн помещают в термочехол, в нем с заданным шагом просверливают непосредственно через термочехол отверстия до середины керна, в которые последовательно вводят термощуп электронного термометра и производят измерения температуры льда (на фиг. 1 не приводится). Таким образом определяют распределение температуры льда по всей толщине ледяного образования. Далее керн извлекают из термочехла, визуально описывают его текстуру и разрезают на образцы в виде дисков толщиной около 20 мм, исключая слои, в которых были просверлены отверстия под термощуп электронного термометра. Образцы в виде дисков, по мере их изготовления, помещают в полевую испытательную машину (ПИМ-200) /4/ и проводят испытания прочности образцов при центральном изгибе. При этом испытания прочности при центральном изгибе образцов льда в виде дисков проводят последовательно для паруса, консолидированного слоя и киля торосистых образований. Кроме того, после каждого испытания разрушенные диски помещают в герметичные контейнеры, в которых лед расплавляется и выдерживается до комнатной температуры. Затем проводят измерение проводимости жидкости кондуктометром и по номограмме переводят в соленость льда /4/ (на фиг. 1 не приводится). На основании таких измерений получают распределение солености льда по толщине ледяных образований для паруса, консолидированного слоя и неконсолидированной части киля.
Общие размеры паруса (модель рельефа) 2 торосистого образования определяются следующим образом. В характерных точках термобурения и определения физико-механических характеристик торосистых образований 8, 9 проводятся определения координат и высот этих точек относительно уровня моря. Для этого используется спутниковое геодезическое оборудование, работающее на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводится), или электронный тахеометр. Перед выполнением съемки на ледовые объекты наносятся опорные знаки контрастирующего цвета в виде пятна или креста (на фиг. 1 не приводится). После координатной и высотной привязок применяется беспилотный летательный аппарат мультироторного типа 10 (БПЛА), укомплектованный блоком, содержащим фото- и видеокамеру фиксации в видимом диапазоне (на фиг. 1 не приводится). При помощи специальных программ результаты съемки позволяют отображать поверхности торосистых образований в виде регулярной сетки значений высот, а именно создание цифровой карты высот торосистых образований (модель рельефа). Для контроля качества получаемых при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа 10 моделей рельефа параллельно выполняется планово-высотная съемка полигона, разбитого на торосистом образовании. Такая съемка осуществляется при помощи электронного тахеометра 11, который последовательно устанавливается на ровном ледяном покрове на четырех пикетах 13, расположенных вокруг торосистого образования и выбранных в зависимости от горизонтальных и вертикальных размеров тороса или стамухи; с этих пикетов 13 осуществляется угловая и линейная съемки тороса или стамухи при помощи отражателя 12, который перемещается по поверхности торосистого образования по узловым точкам сетки с привязкой измерений к уровню моря 6. Кроме того определяются координаты пикетов 13 при помощи спутникового геодезического оборудования, работающего на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводится), или электронного тахеометра.
Для съемки рельефа подводных частей ледовых образований (килей) применяется профилирующий гидролокатор бокового обзора 14, оборудованный приводом вращения и модулем ориентации, что позволяет получать при помощи специальных программ цифровую модель рельефа киля (ЦМРК) тороса или стамухи. Для этого на тех же пикетах 13, на которых проводится тахеометрическая съемка, вырезаются майны, над ними устанавливается тренога 15 с ручной или электрической лебедкой; на стальном тросе на заданную глубину опускается гидролокатор 14 и проводится съемка. Степень получаемой детализации цифровой модели рельефа киля (ЦМРК) регулируется настройкой шага сканирующего луча гидролокатора. В результате гидролокационной съемки получают трехмерное изображение подводных частей ледовых объектов.
Для визуального уточнения изображений подводной части торосистых образований, получаемых при помощи гидролокатора бокового обзора 14, применяется телеуправляемый подводный аппарат 16 (ТПА) «ГНОМ» или аналогичное устройство. Для этого телеуправляемый подводный аппарат 16 погружается на пикетах 13 в те же майны, что и гидролокатор бокового обзора 14 и производится видеозапись килей 4 торосистых образований.
Используемые источники
1. Морев В.А., Морев А.В., Харитонов В.В. Способ определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта. Патент на изобретение №2153070 от 20.07.2000.
2. Ковалев С.М., Никитин В.А., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Способ определения физико-механических характеристик ледовых образований в натурных условиях в скважинах. Патент на изобретение №2348018 от 27.02.2009.
3. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалёв С.М., Яцкевич А.А., Щепанюк С.Н., Ефимов Я.О., Корнишин К.А. Комплексная система для определения характеристик прочности льда в натурных условиях и на образцах. Патент на изобретение №2682835 от 21 марта 2019.
4. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалёв С.М., Шейкин И.Б. Методическое пособие по изучению физико-механических характеристик ледяных образований как исходных данных для расчета ледовых нагрузок на берега, дно и морские сооружения. СПб. ААНИИ. 2011, 178 с.
5. СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений. Госстрой России. М.: Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС») Госстроя России, 2004, 88 с.