Методическое обеспечение геомониторинга устойчивости скальных откосов

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 622.02

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМОНИТОРИНГА УСТОЙЧИВОСТИ СКАЛЬНЫХ ОТКОСОВ

Н. Н. Абрамов, Ю. А. Епимахов, Е. В. Кабеев

ФГБУН Горный институт КНЦ РАН

Аннотация

Для разработки эффективных и оптимальных способов обеспечения устойчивости скальных откосов использован геомеханический мониторинг их состояния натурными методами. Инструментальная оценка состояния массива пород выполняется с использованием методов сейсмической пространственно-временной томографии (СПВТ) и методов контроля смещений и деформаций. Приведены результаты геомониторинга откосов отводящего канала Кумской ГЭС на Кольском п-ове. На основании полученных данных существенно скорректированы рекомендации по укреплению откосов. Ключевые слова:

геомеханическое состояние массива, геомониторинг, сейсмотомография, скорость волны, физико-механические свойства массива.

METHODICAL PROVISION OF GEO-MONITORING FOR HARD ROCK SLOPE STABILITI

Nikolay N. Abramov, Jury A. Epimakhov, Eugene V. Kabeev

Mining Institute of the KSC of the RAS

Abstract

Geomechanical in situ monitoring has been used to develop efficient and rational methods, aimed at providing hard rock slope stability. The rock mass state was estimated with methods of seismic spatial-temporal tomography and control for displacements and deformations. The paper gives results of geomonitoring for slopes of the outlet canal, the Kumskaya HPP, the Kola Peninsula. The guidelines on slopes strengthening have been significantly refined on the basis of the data obtained.

Keywords:

geomechanical state of rock mass, geo-monitoring, seismic tomography, wave velocity, physical-mechanical properties of rock mass.

С проблемой обеспечения устойчивости скальных откосов (уступов) сталкиваются при их формировании в процессе ведения открытых горных работ на карьерах, при формировании береговых откосов каналов в гидротехническом и дорожном строительстве, включая многие другие виды работ, и на многочисленных объектах. Так, например, водоотводящие каналы гидроэлектростанций являются одним из важнейших элементов сложной гидротехнической

Н. Н. Абрамов, Ю. А. Епимахов, Е. В. Кабеев

системы, обеспечивающим ее эффективную и безопасную эксплуатацию. Устойчивость откосов, образованных в прочных скальных породах с использованием буровзрывных способов проходки, определяется в основном степенью нарушенности приконтурного массива, его природной структурой. На сегодняшний день уже ясно, что высокая эффективность мер поддержания откосов в устойчивом состоянии и подбор оптимального крепления могут быть достигнуты на основе комплексного использования информации об инженерно -геологических характеристиках вмещающего массива, дополненных данными о фактическом геомеханическом состоянии откосов, которые получены путем применения современных методов натурного геомониторинга. Методология геомониторинга должна основываться на первичной экспертной оценке состояния откосов канала с использованием балльного анализа оценки опасности [1], на результатах визуального осмотра, на использовании методик инструментальных наблюдений для оценки геомеханических характеристик пород, нарушенности массива, качества межблоковых контактов, с выделением различных по состоянию участков массива, а также методик геодезических и высокоточных деформационных наблюдений для оценки подвижек блоков на потенциально опасных участках откосов отводящего канала. Блок-схема предложенной методологии (рис. 1) реализована при укреплении опасных по устойчивости участков береговых скальных откосов отводящего канала Кумской ГЭС (ГЭС-9 каскад Нивских ГЭС, Карелия).

Опасно с категорией опасности 1-1

Ж

-ОТ

Сейсмотомографическое профилирование и просвечивание (СПВТ) береговых откосов:

• оценка мощности нарушенной зоны массива, блочности;

• оценка состояния межбло ковых кснтактов

Расчет геофизических показателей нарушенности массива пород Вн, К

Методическое обеспечение геомониторинга устойчивости

I

Многоуровневая экспертная оценка степени опасности по инженеоно-геологическим данным

Деформационный мо ниторинготдельных блоков

=2=

Геодинамический мониторинг. Оценка смещений блоков по геодезическим маркам

Исходные данные для уточнения выбора и расчета типа и параметров крепления:

• нагрузки на крепь;

• длина, шаг уетановки и состояние анкертв, свай и пр.

Рис. 1. Методология геомониторинга состояния скальных откосов

Методическое обеспечение геомониторинга устойчивости скальных откосов Отводящий канал Кумской ГЭС-9, пройденный в породах крепких биотитовых гнейсов и микроклиновых гранитов, имеет береговые откосы с углами наклона 70-75°, высоту от уреза воды до верхней бровки 10-12 м. Трещины основной системы, имеющие простирание З-СЗ, секут откосы канала под острыми углами (до 25°) или располагаются параллельно откосам. Со стороны правого берега они наклонены в сторону канала, что создает опасность вывалов отдельных блоков породы. У здания ГЭС находится один из самых неблагоприятных участков массива по структурным особенностям — узел пересечения систем трещин. Необходимость укрепления откосов возникла после произошедшего обрушения породы на участке откоса правого берега объемом около 50-60 м3. Обрушение, как было установлено, произошло по плоскости скольжения трещины, ослабленной воздействием техногенных и естественных водопритоков (рис. 2).

Рис. 2. Правый берег канала с зоной вывала 50-60 м3

Выполненная экспертная оценка состояния бортов канала по инженерно-геологическим особенностям массива и на основе использования балльной системы оценки опасности [1], учитывающая морфологические особенности откосов, инженерно-геологические характеристики трещиноватости, физико-механические свойства пород, статистику обвальных явлений и проч., позволила отнести борта канала ко II классу потенциальной опасности и классифицировать их как «опасные». Данный класс предусматривает выполнение мероприятий по профилактике и укреплению отдельных участков откосов берегов канала.

Н. Н. Абрамов, Ю. А. Епимахов, Е. В. Кабеев Разработанный проект крепления предусматривал использование анкерного крепления с длиной анкеров 15-20 м. Однако накопленный опыт и современная практика ведения работ, особенно на горных предприятиях, показывают, что назначение тех или иных способов крепления откосов должно основываться на фактических результатах натурного мониторинга состояния вмещающего массива.

Оценка фактического состояния массива и состояния трещинных контактов на участке обрушения выполнена по методике сейсмической пространственно-временной томографии [2, 3] и контролируется на основе результатов долгосрочных геодинамических наблюдений подвижек отдельных блоков массива. На откосе канала выполнено сейсмическое просвечивание массива с размещением сейсмоприемников вдоль уреза воды (рис. 3, а). Точки возбуждения сейсмической волны находились на вершине откоса вдоль его верхней бровки, в 5 м от края откоса (рис. 3, б). Сейсмоизмерения производились 24-канальной цифровой сейсмостанцией Е!^.

Рис. 3. Схема сейсмопросвечивания откоса: а — установка датчиков; б — сечение откоса

Набор сейсмических данных и их обработка осуществляются с использованием сейсмотомографического пакета программ «Х-Томо». Шаг расстановки сейсмоприемников составил 4 м, шаг точек возбуждения сейсмических волн на профиле — 4 м, частота приемного канала сейсмостанции — до 768 Гц. Способ возбуждения сейсмической волны — ударный, способ крепления сейсмоприемников к стенке выработки — на резьбовой анкер. Длина профиля — 50 м.

Методика проведения сейсмотомографических наблюдений при оценке состояния скального массива уже довольно широко опубликована авторами в различных изданиях, в том числе и на страницах данного журнала [2, 3], поэтому в статье приведем только основные методические положения. Методика осуществляется на основе анализа первых вступлений времен пробега, собранных для совокупности пар «источник — приемник» [4, 5]. Расчет геофизических показателей нарушенности массива с определением категорий нарушенности выполняется на основе замера скоростей прохождения продольных и поперечных сейсмических волн ¥р и V по разработанным геофизическим показателям Ве и К [1, 5-7], определяемым как:

В ={уро/ Ург )2 -1

Методическое обеспечение геомониторинга устойчивости скальных откосов

*

K = ц/р, = A

где Vp0, Vpi — скорость продольных волн в монолитном и реальном трещиноватом массиве соответственно; рг, р0 — коэффициент Пуассона для нарушенного и сохранного массивов соответственно; Vs — скорость поперечной волны.

Величины Vp0 и р0 определены по результатам измерений скоростей продольных и поперечных волн в лабораторных условиях для представительной выборки отобранных образцов гранитогнейсов и приняты: Vp0 = 5,67км/с, р0 = 0,27.

В физическом отношении, если показатель Ве характеризует снижение скоростей продольных волн в нарушенных участках массива при его просвечивании, показатель K показывает вариации коэффициента Пуассона рг, вызванные изменением состояния (например, намоканием) вмещающих трещинные контакты заполнителя по сравнению с величиной р0. Томограмма скоростей продольных волн и распределение соотношения V/Vp в плоскости просвечивания А-А представлены на рис. 4, а.

Выполненное на основе натурных измерений категорирование массива пород по степени нарушенности по показателю Ве (использовалась 5-категорийная шкала [1, 7]: от категории I — чрезвычайно нарушенные породы до категории V — сохранные породы) позволило выделить три зоны полученного разреза (рис. 4, б). Зона 1 и зона 3 (светло-коричневая палитра): породы категории II-III — сильно- и средненарушенные(приурочены к обнажениям откоса); зона 2 включает категории IV, V — слабонарушенные и сохранные породы (срединная часть разреза). Если сопоставить полученные результаты с геометрией эксперимента (рис. 3, б), то можно легко определить, что мощность зоны нарушенных пород приурочена к обнажению откоса и не превышает 1,5-2,0 м от его контура. Состояние трещинного контакта по наиболее опасному нарушению с простиранием под острым углом к оси канала можно оценить по томограммам (рис. 4).

Для продольных р-волн это нарушение практически прозрачно и незаметно. Оно не проявилось на томограмме скорости Vp, и участок нарушения категорируется по Ве как область слабо- и средненарушенных пород, не представляющий опасности — категорий III-IV. Однако на томограмме Vs/Vp, благодаря большей чувствительности поперечных s-колебаний, это нарушение зафиксировано зоной повышенных значений коэффициента Пуассона (р = 0,33-0,43). Наиболее опасными для устойчивости откоса в выделенной зоне являются области с величинами р = 0,38-0,43, характерные для участков намокания и водонасыщения (зона D (голубая палитра) на рис. 4, б). Однако доля подобных участков, как видно из томограммы, незначительна, и она не должна оказывать существенного влияния на устойчивость обнажений откоса. Для формирования достоверных представлений об устойчивости массива на откосах организованы деформационные наблюдения за мелко- и среднеблоковыми смещениями на малых базах высокоточными струнными дистометрами JSETH (Швейцария) и долгосрочный геодинамический контроль смещений по геодезическим маркам на крупных структурных нарушениях.

Н. Н. Абрамов, Ю. А. Епимахов, Е. В. Кабеев

Рис. 4. Результаты натурного сейсмомониторинга откоса: а — томограмма распределения скоростей продольных волн Ур и распределение соотношения У/Ур в плоскости эксперимента; б — взаимосвязь д = АУ/УР). Б — область, характерная для сильнонарушенных, обводненных пород

Полученные в результате геомониторинга данные о мощности нарушенной зоны приконтурного массива береговых откосов канала и состоянии трещинных контактов явились исходными данными для расчета параметров установленной крепи и позволили оптимизировать параметры анкерного крепления, значительно сократив длину анкеров и разрядив шаг их установки. Геодинамический мониторинг смещений, регулярно выполняемый геодезической

Методическое обеспечение геомониторинга устойчивости скальных откосов службой контроля ОАО «ТГК-1», по установленным геодезическим маркам зафиксировал значительное снижение динамики смещений блоков по правому берегу канала после установки крепления, что свидетельствует о его эффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по проектированию противооползневых и противообвальных защитных сооружений. М.: Минтрансстрой, 1983. С. 119. 2. Абрамов Н. Н., Епимахов Ю. А. Геофизический мониторинг при строительстве и эксплуатации объектов горно-промышленного комплекса и гидроэнергетики. Апатиты: КНЦ РАН, 2010. 177 с. 3. Абрамов Н. Н., Епимахов Ю. А. Инструментальная оценка влияния природно-техногенных факторов на геомеханическое состояние массива, вмещающего подземный машинный зал ГЭС // Гидротехническое строительство. 2015. № 11. С. 59-62. 4. Яновская Т. Б. Проблемы сейсмической томографии: сб. науч. тр. // Проблемы геотомографии. М.: Наука, 1997. С. 86-97. 5. Никитин В. Н. Основы инженерной сейсмики. М.: Изд-во МГУ, 1981. 176 с. 6. Савич А. И., Ященко З. Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М.: Недра, 1979. 213 с. 7. Мосинец В. М., Абрамов А. В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982. 248 с.

Сведения об авторах

Абрамов Николай Николаевич — кандидат технических наук, зав. лабораторией Горного

института КНЦ РАН

E-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru

Епимахов Юрий Александрович — доктор технических наук, консультант Горного института КНЦ РАН

E-mail: root@goi.kolasc.net.ru

Кабеев Евгений Владимирович — ведущий технолог Горного института КНЦ РАН E-mail: root@goi.kolasc.net.ru

Author Affiliation

Nikolay N. Abramov — PhD (Engineering), Head of Laboratory of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru

Jury A. Epimakhov — Dr. Sci. (Engineering), Adviser of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: root@goi.kolasc.net.ru

Eugene V. Kabeev — Leading Engineer of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: root@goi.kolasc.net.ru

Библиографическое описание статьи

Абрамов, Н. Н. Методическое обеспечение геомониторинга устойчивости скальных откосов / Н. Н. Абрамов, Ю. А. Епимахов, Е. В. Кабеев // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 1 (9). — С. 78-84.

Reference

Abramov Nikolay N., Epimakhov Jury A., Kabeev Eugene V. Methodical Provision of Geo-Monitoring for Hard Rock Slope Stability. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 1 (9), pp. 78-84 (In Russ.).