Методика геофизических технологий при инженерно-геологических изысканиях

Методика геофизических технологий при инженерно-геологических изысканиях

Н.Г.Шкабарня, Г.Н.Шкабарня

Широкомасштабное строительство жилых, общественных и промышленных объектов на территории Приморского края, в частности в пределах города Владивостока, проводится в условиях горного рельефа и сложного структурно-тектонического строения. Горные хребты и их отроги занимают 80% территории края. Глубокие поперечные долины рек рассекают горные хребты, а в западной части края развиты долины рек продольные корытообразные. Климат края отличается высокой влажностью и высокой солнечной радиацией в холодные периоды года, низкими отрицательными температурами и сильными ветрами. Его формирование определяется положением региона на окраине материка и постоянным воздействием активного перемещения воздушных масс с океана на материк в теплое время года и наоборот - в холодное.

Сложное геологическое строение и множество опасных геологических процессов на территории края связаны в первую очередь с положением региона в зоне сочленения Азиатского континента - с жестким кристаллическим основанием - и Тихоокеанского подвижного пояса - с активными тектоническими и вулканическими процессами. На протяжении 250 км с северо-запада на юго-восток установлено последовательное омоложение геологических образований от верхнеархейских и раннепротерозойских Ханкайского срединного массива к верхнепалеозойским Арсеньевского прогиба и мезозойским Сихотэ-Алиньской системы до мезозойско-кайнозойского Восточно-Сихотэ-Алиньского вулканического пояса.

В новейший этап развития региона одновременно со становлением рельефа происходило образование и накопление четвертичных отложений, преимущественно за счет континентальных осадков (аллювиальных, озерных, озер-но-аллювиальных, ледниковых), формирующих межгорные котловины, долины рек и обширные равнины. В горах широко распространены отложения склонового ряда. На побережье континентальные отложения сменяются морскими, леднико-во-морскими и аллювиально-морскими осадками. В пределах полуострова Муравьева-Амурского водораздельные пространства и склоны покрыты чехлом рыхлых отложений различной мощности. Мощность увеличивается вниз по склону и у подножия достигает 10 м и более. Здесь представлены элювиальные, делювиальные и коллювиальные отложения. Преобладают суглинистые разности, реже супеси или переслаивание их с дресвой и щебнем. Содержание песчаной фракции низкое, дресвяно-щебенистой - иногда повышенное.

Под чехлом рыхлых отложений, а часто на поверхности, залегают скальные породы морской, терригенной, вулканоген-

ной, а также интрузивной формаций мела, триаса и перми. Эти породы представлены песчаниками, алевролитами, аргиллитами, углистыми аргиллитами, риолитами, порфиритами и их туфами, гранитами, гранодиоритами, диоритами, диабазами. Коренные породы в верхней части разреза представлены в основном выветрелыми, трещиноватыми, сильновыветрелыми и сильнотрещиноватыми разностями.

Приморский край отличается большим разнообразием современных геологических и инженерно-геологических процессов. Многие из них, включая движения литосферных блоков земной коры, землетрясения, тайфуны, наводнения, мерзлотные процессы, характеризуются максимальной интенсивностью. Вероятность землетрясений различной интенсивности существует для всего края. Следует отметить, что сейсмологическая изученность этой территории находится на низком уровне. Интенсивность зарегистрированных в Приморском крае землетрясений достигала 8 баллов по шкале МБК-64.

Тектонические нарушения проявляются в образовании разрывных структур, которые не являются быстродействующими, однако медленные (до сантиметра в год) перемещения блоков по разломам представляют серьезную угрозу для любых строительных объектов. Такие перемещения нарушают целостность фундаментов, приводят к необратимым деформациям объектов.

Экзогенные процессы представлены оползнями, обвалами, осыпями, различными видами эрозии (плоскостной, овражной, речной), карстовыми явлениями, криогенными процессами, просадками грунтов. Наибольшую угрозу в этом ряду представляют оползни, особенно при быстрых подвижках. Они формируются в горных районах, на берегах рек, водохранилищ и морей. От оползней страдают железные и автомобильные дороги, трубопроводы, здания и сооружения. Большинство случаев активизации оползней связано с вырубкой лесов, подрезкой склонов при строительстве дорог. Осыпания и обвалы наиболее активно протекают в горах, лишенных хорошо развитого почвенного покрова и растительности.

Карстовые явления не получили широкого развития, поскольку участки с карбонатными породами распространены локально. Карст свойствен районам залегания верхнепротерозойских и палеозойских известняков. Здесь известны пещеры, достигающие больших размеров и состоящие из залов и галерей. Кроме того, карсты сопряжены с наличием мерзлых пород. С карстовыми явлениями связаны просадки

грунтов, которые проявляются на поверхности в виде воронок, котлованов и протяженных углублений.

В областях мелкосопочника и низкогорья гидросеть характеризуется деградацией эрозионных процессов. В днищах долин накапливается преимущественно тонкообломочный материал, а на их склонах - делювиальные суглинки и глины. Здесь преобладают продукты химического выветривания, нередки плоскостной смыв и овражная эрозия. Склоновая эрозия интенсивно проявляется в областях мелкосопочников, где распространены легкоразмываемые озерно-аллювиальные отложения. Плоскостная эрозия развита на оголенных бортах оврагов. К основным факторам русловой эрозии грунтов относятся преобладание хорошо размываемых суглинистых, суспенчатых, глинистых и песчано-глинистых отложений, а также частые и продолжительные паводки. Нередко случается пучение грунтов, свойственное глинистым, суглинистым и супесчаным рыхлым накоплениям склонов, а также озерным и аллювиальным отложениям. На величину морозного пучения влияют естественная влажность грунта перед замерзанием и инфильтрация поверхостных вод.

В условиях природно-климатических факторов, сложного структурно-тектонического строения, опасных геологических процессов на проектируемых площадях строительства отмечается низкое качество инженерно-геологических изысканий. Это можно объяснить в первую очередь тем, что физико-механические и водно-физические свойства грунтов и их несущая способность определяются в дискретных точках за счет бурения скважин и устройства шурфов. Для получения пространственной картины изменения этих свойств проводят построение инженерно-геологических разрезов методом интерполяции.

В условиях горного рельефа и сложного строения геологической среды такая методика приводит к ошибкам при обнаружении и прослеживании тектонических разломов, зон трещиноватости и дробления горных пород, ослабленных слоев (линз) на склонах сопок, природных и техногенных пустот и других неоднородностей в разрезе. Проектирование с использованием дискретных данных о свойствах и состоянии грунтов не может гарантировать безопасную и долговечную эксплуатацию различных сооружений.

Для пространственного (детального) картирования инженерно-геологических условий можно использовать густую сеть скважин или шурфов, динамическое и статическое зондирование с редким шагом и другие современные дискретные методики. Но, учитывая стоимость всех этих методов, особенно бурения скважин и проходки шурфов, такая технология будет очень дорогой. Кроме того, на крутых склонах и в других труднодоступных местах бурение скважин не всегда возможно.

Поэтому, чтобы оценить инженерно-геологические условия на конкретной территории с целью рационального размещения на ней объектов строительства, необходимо выполнять основные инженерно-геологические изыскания в два этапа.

На первом важно максимально использовать геофизические методы исследования и единичные параметрические скважины. Геофизические исследования должны включать электроразведочные работы методами электрической томографии и георадиолокации, а также малоглубинную сейсморазведку. Для их проведения необходимо всю территорию покрыть густой сетью профилей с расстояниями между электродами (электрическая томография) и сейсмоприемниками (сейсморазведка) на профилях не более 2 м.

Основным назначением данной технологии является практически непрерывное определение физических параметров грунтов (удельного электрического сопротивления, поляризуемости, диэлектрической проницаемости, скорости упругих волн, акустической жесткости) по трем координатам геологической среды, а при необходимости и по четырем (х, у, I, £). По данным двух-трех параметрических скважин определяются связи физических параметров с инженерно-геологическими свойствами, которые позволяют производить построение инженерно-геологических разрезов практически с непрерывным установлением свойств и состояния грунтов на площади строительства. Бурение скважин на этом этапе, как правило, проводится переносными буровыми станками механического бурения.

Инженерно-геологические изыскания на этом этапе позволят:

- определить распространение рыхлых (четвертичных) отложений;

- определить глубину залегания кровли скальных (полускальных) пород;

- установить участки и мощности зон выветривания и повышенной трещиноватости;

- найти разрывные нарушения, природные и техногенные пустоты;

- выделить слои или линзы ослабленных грунтов;

- определить глубину и условия залегания подземных вод.

Результаты исследований помогут провести инженерно-

геологическое районирование территории с выделением типичных участков, выбрать площадки для размещения зданий (сооружений), определить объем и стоимость проектных работ, оптимальный тип фундаментов.

На втором этапе проводятся исследования с помощью методологии инженерно-геологических изысканий на стадиях проектирования в соответствии с требованиями нормативных документов.

К настоящему времени накоплен некоторый опыт в проведении геофизических работ с помощью указанных технологий [1]. В процессе исследований использовалась в основном технология электрической томографии [2], реализующая плотное размещение большого количества электродов на профиле. Это одна из модификаций метода сопротивлений, основанная на различии удельных электрических сопротивлений грунтов. Изучение инженерно-геологических условий с помощью электрической томографии в комплексе с редки-

126

4 2013

ми скважинами проводилось в основном на строительных площадках Владивостока. Есть примеры применения такой технологии и на территории Приморского края. При исследованиях каждый раз определялись рациональные методические приемы проведения полевых работ, предварительно формировались фоновые геоэлектрические модели [3], на конкретных участках разрабатывалась стратегия обработки и интерпретации полевых материалов. Учитывая сложное геологическое строение исследуемых участков, особое внимание уделялось формированию фоновой модели, включавшему изучение априорной геолого-геофизической информации, оценку горизонтальной неоднородности среды, установление приближенных геометрических и физических параметров структурных элементов. Использование фоновой модели при интерпретации практических материалов существенно повысило достоверность построения инженерно-геологических разрезов.

В результате исследований на каждом участке были построены детальные геоэлектрические разрезы, которые с помощью данных бурения редких скважин были трансформированы в инженерно-геологические с определением окончательных геометрических и физических свойств слоев и различных неоднородностей. При этом устанавливалось пространственное залегание скальных пород и рыхлых грунтов по латерали и глубине, выделялись разрывные нарушения, прослеживались зоны трещиноватости и дробления пород, определялись ослабленные слои на склонах сопок, а также участки интенсивного выветривания и обводнения грунтов.

В качестве примера рассмотрим исследования инженерно-геологических условий берега реки Туманной. Участок расположен на юге Хасанского района и вытянут узкой полосой вдоль левого берега реки. В процессе работ было выполнено несколько профилей с целью изучения структурной модели участка.

На рисунке представлен геоэлектрический разрез по одному из профилей, проходившему по контрольно-следовой полосе государственной границы.

На участке почвенно-растительный слой имеет малую мощность (около 0,8 м), поэтому на разрезе не выделяется. Следующий геологический слой с удельным сопротивлением от 60 до 300 Ом-м связан со слабообводненными песками и

|Э N3 IT 20 -У -IS Й Ч & : 1' lftí

Рис. Геоэлектрический разрез по профилю электрической томографии №3 (участок реки Туманной). Шаг между электродами - 3 м. Горизонтальный масштаб 1:1000, вертикальный масштаб 1:200.

встречается повсеместно до глубины 12 м. Ниже по разрезу выделен горизонт с удельным сопротивлением от 10 до 40 Ом-м, который отождествляется с переслаиванием глин и песков. С глубиной доля песчаной фракции уменьшается. В основании разреза местами прослеживаются пески повышенного сопротивления. Закономерности изменения удельных сопротивлений по разрезу позволяют судить о фациальных замещениях, характере залегания и обводненности грунтов.

Литература

1. Шкабарня Г.Н., Шкабарня Н.Г. Обоснование новой технологии электрической томографии для разведки угольных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 9. Дальний Восток. М.: Мир горной книги, 2007. С. 377-390.

2. Шкабарня Н.Г., Шкабарня Г.Н., Голованов Б.Е., Горелов В.В. Электрическая томография при инженерно-геологических изысканиях // Вестник Отдедения строительных наук. Вып. 10. Владивосток: Дальнаука, 2006. С. 262-271.

3. Светов Б.С., Бердичевский М.Н. Электроразведка на современном этапе // Геофизика. 1998. №2. С. 4-11.

Literatura

1. Shkabarnya G.N., Shkabarnya N.G. Obosnovanie novoj tehnologii elektricheskoj tomografii dLya razvedki ugolnyh mes-torozhdenij // Gornyj informatsionno-analiticheskij byuLLeten. Vyp. 9. DaLnij Vostok. M.: Mir gornoj knigi, 2007. S. 377-390.

2. Shkabarnya N.G., Shkabarnya G.N., Golovanov B.E., Gorelov V. V. ELektricheskaya tomografiya pri inzhenerno-geoLogicheskih izyskaniyah // Vestnik OtdeLenia stroiteLnyh nauk. Vyp. 10. Vladivostok: DaLnauka, 2006. S. 262-271.

3. Svetov B.S., BerdichevskijM.N. ELektrorazvedka na sovre-mennom etape // Geofizika. 1998. №2. S. 4-11.

Methods of Geophisical Technology in Engineering-

Geological Surveys. By N.G.Shkabarnya, G.N. Shkabarnya

CompLex engineering and geoLogicaL conditions in the Pri-morye Territory are associated with its position at the junction of the Asian continent and the Pacific mobiLe beLt. To improve the efficiency of engineering the geoLogicaL surveys in these conditions the use of geophysicaL methods, incLuding eLectricaL resistivity tomography, GPR and shaLLow seismic surveys is required. The appLication of these technoLogies in combination with sparse hoLes wiLL expLore the geoLogicaL media with the continuous estabLishment of rock properties and conditions on construction sites. The construction of the geoeLectric section with the definition of the rock parameters is shown as an exampLe.

Ключевые слова: опасные геологические процессы, геофизические методы, электрическая томография, геоэлектрический разрез.

Key words: dangerous geoLogicaL processes, geophysicaL methods, eLectricaL resistivity tomography, geoeLectricaL section.