Особенности геофизического мониторинга гидротехнических сооружений в криолитозоне

УДК 550.8, 551.340

Особенности геофизического мониторинга гидротехнических сооружений в криолитозоне

С.А. Великин

На примере Вилюйской ГЭС и Сытыканского гидроузла Западной Якутии приводятся результаты многолетнего геофизического мониторинга инженерно-геокриологического окружения гидротехнических сооружений (ГТС) в криолитозоне. Обосновывается необходимость геофизических исследований как грунтовых оснований сооружений ГТС, так и их инженерно-геокриологического окружения, приводится перечень основных рекомендуемых методов, формулируются основные требования к геофизическому мониторингу.

Ключевые слова: криолитозона, гидротехнические сооружения, геофизический мониторинг, инженерно-геокриологические процессы.

The results of a long-term geophysical monitoring of engineering and geocryologic environment of hydrotechnical structures (GTS) in the cryolithozone on the example of Viluysky hydroelectric power station and the Sytykansky water-engineering system of Western Yakutia are given. The nessesity of geophysical researches both the ground bases of the hydrotechnical structures and their engineering and geocryological environment is substantiated, the list of main recommended methods is presented, the main requirements for geophysical monitoring are formulated.

Key words: cryolithozone, hydrotechnical structures, geophysical monitoring, engineering-geocryological processes.

Введение

Как показал многолетний опыт, состояние грунтов оснований гидротехнических сооружений (ГТС) при их эксплуатации в криолитозоне весьма чувствительно к таким негативным факторам как нарушение режима эксплуатации (превышение проектных параметров), отказы в работе замораживающих систем, а также ошибки проектных решений, связанных с недостаточным объемом и качеством необходимых изысканий. Влияние этих факторов выражается в неизбежном возникновении и активизации ряда негативных инженерно-геокриологических процессов, как в основаниях сооружений, так и в окружающих массивах. Это, прежде всего, процессы деформации сооружений, а также процессы прямой и обходной фильтрации.

В случае прямой фильтрации воды через тело плотины, согласно статистике, наиболее слабым элементом ГТС являются сопряжения водосброса, как с плотиной, так и с береговым массивом [1]. Здесь источником информации о наличии негативных процессов является развитая, как правило, система контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). В случае обходной фильтрации ситуация сложнее, поскольку в проектных решениях не предусмотрен монтаж КИА в инженерно-геокриологическом окружении ГТС.

ВЕЛИКИН Сергей Александрович - к.т.н., с.н.с. Вилюйской научно-исследовательской мерзлотной станции ИМЗ СО РАН, frozen@mirny.sakha.ru.

В результате отсутствия информации складывается ложное впечатление о несущественности или невозможности мониторинга негативных инженерно-геокриологических процессов. Возможно, это связано также с тем, что для формирования подобных процессов необходимо определенное время (от трех до пяти лет). Это как раз тот срок, за который негативные инженерногеокриологические процессы, развивающиеся скрытно в латентной фазе с начала возведения ГТС, становятся настолько неуправляемыми, что при их обнаружении системой КИА по истечении указанного срока уже ничего нельзя сделать для предотвращения таких процессов. В результате требуются весьма дорогостоящие работы по возведению противофильтрационных мероприятий, иногда соизмеримые со стоимостью самого гидротехнического сооружения.

Методические вопросы геофизических исследований в криолитозоне рассмотрены, например, в [2]. В данной статье приводятся результаты геофизического мониторинга некоторых гидротехнических сооружений в криолитозоне Западной Якутии.

Необходимость геофизического мониторинга ГТС в криолитозоне

Основной предпосылкой необходимости геофизического мониторинга ГТС в криолитозоне являются два фактора. Прежде всего, это многолетнемерзлое состояние горных пород оснований сооружений и береговых примыканий. В

течение годовых и многолетних периодов колебаний температуры грунтов, а также ряда техногенных процессов, связанных с эксплуатацией ГТС, свойства их грунтовых оснований претерпевают пространственно-временные изменения в весьма широких диапазонах. Причина этого - активизация сложных физико-химических процессов, связанных, прежде всего, с фазовыми переходами воды в грунтах. При этом в сфере физических полей грунтов оснований или береговых примыканий ГТС наблюдаются определенные изменения, которые наиболее отчетливо проявляются в пространственновременных вариациях электрохимической активности (поляризуемости, диэлектрической проницаемости), величины и механизмов электропроводности, упругости, вязкости, прочности и других свойств грунтов. Вторым фактором является относительно высокий уровень развития современных геофизических технологий прямого измерения и дистанционного мониторинга мерзлых горных пород.

Отсюда вытекает необходимость, наряду с термическими режимными наблюдениями, применять геофизические методы электрометрии.

Некоторые результаты геофизического мониторинга ГТС в криолитозоне

Вилюйская ГЭС-1,2 является первым в мировой практике крупным гидротехническим сооружением в области сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород (Западная Якутия). Каменно-набросная плотина ВГЭС-1,2 размещена на пластовой интрузии долеритов мощностью 150 м и шириной около 1000 м, которая в свою очередь подстилается карбонатно-известковистыми горными породами осадочного комплекса. Большая часть тела плотины состоит из глыб долерита размером не более 1 м и небольшого количества мелкозернистого заполнителя. Гидроузел был построен еще в 1956 г. и успешно эксплуатируется до настоящего времени.

Результаты анализа многолетних режимных геотермических наблюдений за состоянием правобережного примыкания плотины ВГЭС вплоть до 1996 г. не вызывали особых опасений. Однако, уже в конце 1996 г. ситуация изменилась настолько, что специальной комиссией был сделан вывод об аварийном состоянии водосброса и примыкающих сооружений по причине развития обходной фильтрации воды в зоне скальной врезки водосброса. Параллельно с противофильтрационными мероприятиями на гидроузле с 1997 г. Вилюйской НИМС были начаты комплексные геофизические исследования по изучению состояния правобережного

примыкания Вилюйской ГЭС. Это были методы геотермического мониторинга, геофизические методы естественного поля (ЕП), вертикальное электрическое зондирование и геотехнические исследования фильтрационных свойств мерзлых скальных береговых массивов [3].

Исследования геофизическим методом ЕП, проведенные в 1999-2004 гг., показали, что происходит смещение талой зоны и области фильтрационного потока в сторону берега. В свою очередь, методом георадиолокации в пределах аномалии ЕП были выявлены участки обходной фильтрации. Особенно четко это проявилось на профилях, ориентированных вдоль и поперек береговой линии. Гидролокацией бокового обзора, кроме характера поверхности дна, были обнаружены на ряде участков правобережного примыкания плотины характерные нарушения структуры горных пород с аномальными свойствами, которые имели однозначную инженерно-гидрогеологическую интерпретацию. Таким образом, применение геофизических методов подтвердило образование в правобережном примыкании плотины достаточно четко оконтуренного участка измененных горных пород, в пределах которого развита аномалия ЕП, характерная для фильтрационного потока [2].

К настоящему времени ВНИМС ИМЗ СО РАН сформирован типовой комплекс методов геофизического мониторинга ГТС в криолито-зоне, включающий электротомографию, ди-польное индуктивное профилирование, георадиолокацию, а также телеметрическую трехкомпонентную логгерную скважинную систему (термометрия, резистивиметрия, пьезометрия). В результате применения такого комплекса методов были выявлены некоторые негативные инженерно-геокриологические процессы. Так, на рис.1 показан техногенный высокотемпературный интенсивно развивающийся в сторону долеритового массива талик, отслеживаемый термометрической сетью скважинного полигона, а также приведена вышеописанная аномалия ЕП, связанная с береговым участком питания фильтрационного потока у входа в водосбросный канал в верхнем бьефе.

Таким образом, в настоящее время на ВГЭС-1,2 из негативных инженерно-геокриологических процессов, выявленных геофизическими методами, имеются: установленная методом ЕП (и, частично, методом георадиолокации) область питания фильтрационного потока у входа в водосбросный канал и интенсивный техногенный талик с тепловым источником под площадкой крановых путей, развитие которого отслеживается скважинной термометрической

геотермический разрез правобережного устоя

полигон скважин

Результаты работ методом геоэлектрической томографии Разрезы кажущихся сопротивлений июль 2008 - июль 2009 г.г.

Система скважинных наблюдений и обработки режимных измерений

Система геоэлектрического мониторинга

іазмещения скважин

ПК 240

переносной

измерительный

прибор

йподательныи положение области питания фильтрационной наводные исследования методами

естественного поля и георадиолокации

температурный срез по наблюдательному'полигону скважин правобережного примыкания, абс.ртм. 238 м

Сга*»ерный

гшернзмбпэк

регилра+и

(ІЄВпорг) од на комгъюгер

Размещение электродов и последовательности измерений для 2-В томографического контроля

1 п - пьезометрическии датчик

р - резистивиметрический датчик

Каменно-набросная плотина КВГЭС. г

Динамика температур по скважине 48 за 2003-2009 гг.

Рис. 1. Схема геокриологического мониторинга состояния неблагоприятных природно-техногенных процессов и явлений в основаниях гидротехнических сооружений на примере Вилюйской ГЭС

ОСОБЕННОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2012, №4

к>

Рис. 2. Схема комплексного геофизического мониторинга на Сытыканском гидроузле (Западная Якутия):

1 - температурное поле горных пород и поле электропроводности»; 2 - динамика движения фильтрующего потока в береговую зону

Температура, град,с 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

расположения скважин

Температурный разрез в момент прорыва фильтрационным потоком цементационно-мерзлотной завесы. Август 2005 г.

ВЕЛИКИН

сетью. Однако наличие выраженных фильтрующих горизонтов, связанных с данным таликом, а также однозначную связь между областью питания у входа в водосбросный канал и областью разгрузки в виде наледей в нижнем бьефе установить не удалось. В первом случае имеются отрицательные результаты заверочно-го бурения на воду в правобережном устое, а во втором случае геофизические работы по установлению такой связи не проводились по причине технологической загрузки различным оборудованием площадки исследований.

Другой гидротехнический объект в криолито-зоне, на котором силами ВНИМС ИМЗ СО РАН на протяжении ряда лет ведется геофизический мониторинг - Сытыканский гидроузел. Инженерно-геокриологическая обстановка здесь значительно сложнее, чем на ВГЭС-1,2, по причине широкого распространения карбонатных пород столбчатой отдельности с сильнольдистым глинистым заполнителем межблочных трещин.

В настоящее время в правобережном примыкании плотины развиты процессы деградации мерзлого состояния пород. Замораживающая система Сытыканского гидроузла обеспечивает надежную защиту оснований их сооружений только в границах, приуроченных к каналу водосброса (рис.2,1). Вне этих границ вглубь берегового массива термометрической системой фиксируется устойчивая область положительных температур горных пород на глубинах, примерно 10 м. Прямым же индикатором наличия обходной фильтрации служит многолетний тренд падения пьезометрического уровня, фиксируемый наблюдательной сетью скважинного полигона. В этих условиях целью применения геофизического мониторинга является установление скорости и пространственных параметров фильтрационных потоков, а также динамики деградации мерзлоты берегового массива, связанной с развитием обходной фильтрации воды. При этом актуальность применения геофизического мониторинга обходной фильтрации на Сытыканском гидроузле усиливается достаточно спонтанной миграцией захороненных еще во второй половине прошлого столетия техногенных рассолов Октябрьского участка на глубинах, примерно, совпадающих с залеганием фильтрующего водоносного горизонта. В [2] приведены данные по рассеянию техногенных дренажных рассолов по весьма обширному диапазону глубин и на большой площади. В свою очередь засоление пород, повышение минерализации водоносных горизонтов ведет, как известно, к понижению температуры замерзания порового раствора и, как следствие, к деградации мерзлоты.

Для мониторинга динамики деградации мерзлого состояния горных пород на правобережном примыкании Сытыканского гидроузла в связи с развитием обходной фильтрации воды применялась площадная сетка профилей электротомографии. При этом предполагается, что площадная динамика удельных сопротивлений коррелирует с динамикой деградации мерзлоты даже с учетом неоднозначности интерпретации гео-электрических разрезов многолетнемерзлых пород, полученных при обработке данных электротомографии.

На рис. 2,1 показана динамика смещения нулевых изотерм за последние годы, там же приведены поле электрических проводимостей и сейсмический разрез распределения таликовых зон по глубине, на рис. 2,2 - структура продвижения фильтрационного окна вглубь берегового массива за период 2002-200 гг., включая событие прорыва фильтрационным потоком цементационно-мерзлотной завесы в 2005 г. Рис. 2,3 и 2,4 иллюстрируют характер посезонного изменения температуры и сравнительную динамику температуры горных пород в скважинах на различных отметках и хода уровня воды в водохранилище за 2006 г.

Для определения скорости фильтрации применялось комбинирование метода электротомографии с индикаторным способом с заливом индикатора (раствор NaCl) в пьезометрическую скважину. При этом электротомографические измерения проводились по профилю, перпендикулярному предполагаемой оси фильтрационных потоков, а скорость прохождения рассола определялась по времени появления аномалии электропроводности. Измерения фиксировались аппаратурой Iris Instruments Syscal-Pro через каждые 5 мин. Полученная при этом скорость фильтрации составила около 100 м/ч. Для выявления береговых участков питания фильтрации применялось профилирование методом ЕП вдоль береговой линии.

Заключение

Общими и необходимыми методами мониторинга состояния оснований гидротехнических сооружений в криолитозоне остаются стандартные методы скважинной термометрии и пьезометрии. При этом автором предлагается применять современные цифровые логгерные трехкомпонентные системы (термометрия, резисти-виметрия и пьезометрия). Одними из преимуществ таких систем являются комплексный характер информации и способность гибкой настройки частоты измерений с возможностью дистанционного управления в условиях быст-роменяющейся инженерно-геокриологической

обстановки. Наиболее информативны методы электрометрии (электротомографии) и георадиолокации. Методы инженерной сейсмики дают представление о глубинном распределении плотностных свойств горных пород береговых массивов.

Спецификой геофизических работ по мониторингу гидротехнических сооружений в крио-литозоне являются весьма высокая детальность геофизических работ и необходимость выполнения двух основных требований для мониторинговых наблюдений: непрерывность и комплексность. Первое требование обеспечивает необходимую полноту данных и своевременное оповещение о появлении негативных инженерно-геокриологических процессов в окружении ГТС, а второе - выявляет ту физическую форму, в которой данные негативные процессы развиваются.

Следует также отметить, что для каждого ГТС в криолитозоне необходимо формировать свой индивидуальный комплекс геофизического мониторинга, сообразно особенностям инженерно-геокриологических условий, параметров и конструкции конкретного гидротехнического сооружения.

Литература

1. Чжан Р.В. Температурный режим и устойчивость низконапорных гидроузлов и грунтовых каналов в криолитозоне. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2002.

2. Геофизические исследования криолитозоны. Вып. 3. - М., 2000.

3. Оловин Б.А. Фильтрационная проницаемость вечномерзлых грунтов. - Новосибирск: Наука, 1993. - 257 с.

Поступила в редакцию 25.09.2012

УДК [562/569+551.732.2]

Выдающаяся универсальная ценность Природного парка «Ленские Столбы»

П.Н. Колосов

Раскрывается ценность для всего человечества: памятника природы «Ленские Столбы», Ой-Муранского рифа и палеонтологических остатков, характеризующих становление в раннем кембрии (542-513 млн. лет) скелетных животных.

Ключевые слова: памятник природы, кембрий, риф, скелетные животные, наследие.

The value for the whole humanity of a UNESCO World Heritage Site «Lena Pillars», the Oymuran reef and paleontological remains characterizing the evolution of skeletal animals in the Early Cambrian (542513 Ma) is revealed.

Key words: a UNESCO World Heritage Site, Cambrian, reef, skeletal animal, heritage.

В республике имеются уникальные природные ландшафты, разнообразные геологические образования и удивительные свидетельства становления жизни в доисторическом (геологическом) прошлом. Одним из самых известных в мире памятников природы являются Ленские Столбы, расположенные на берегах р. Лена. Территории, находящиеся по течению реки выше (до с. Исить) и ниже (до устья р. Буотама) с охватом части бассейнов рр. Буотама и Синяя, представляют собой Природный парк «Ленские Столбы». Универсальная, т.е. разносторонняя, охватывающая многое и имеющая разнообразное назначение, ценность парка столь высока,

КОЛОСОВ Петр Николаевич - д.г.-м.н., г.н.с. ИГ АБМ СО РАН, p_kolosov@diamond.ysn.ru.

что на 36-й сессии Комитета Всемирного наследия ЮНЕСКО 2 июля 2012 г. в Санкт-Петербурге он признан сокровищем, представляющим ценность для всего человечества. Наряду с такими природными чудами, как Большой барьерный риф у берегов Австралии, Национальный парк «Гранд- Каньон в США, Пещеры Шкоцана в Словении, озеро Байкал и вулканы Камчатки в России, Галапосские острова в Эквадоре и др., парк «Ленские Столбы» включен в Список Всемирного наследия, составляемый ЮНЕСКО.

Идея присвоения Ленским Столбам статуса Всемирного наследия возникла у автора в 1992 г. В научно-популярной брошюре «Что в парке кроме Ленских Столбов» [1] обосновано соответствие Природного парка критериям, по которым природные объекты признаются Всемир-