ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕЙ НА ИСКУССТВЕННЫХ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЯХ
GEOELECTRIC METHOD FOR PREDICTION OF LANDSLIPS ON MANMADE SOIL STRUCTURES

Предлагаемое изобретение относится к разделу технической физики, а именно: электрической разведке по методу электросопротивления и прогнозу оползней на грунтовых насыпных сооружениях: плотинах, дамбах, насыпях автомобильных и железных дорог и т.д. Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность и снизить стоимость изучения потенциально опасных оползневых участков на грунтовых сооружениях.
Область преимущественного применения предлагаемого способа - изучение электрофизических свойств грунтового материала полотна автомобильных и железных дорог и других грунтовых сооружений для выявления участков развития оползневых процессов; контроль состояния грунтовых насыпей искусственных сооружений (насыпи автомобильных и железных дорог, ограждающих дамб).
1
2
1
2
к
1
к
2
Известен способ дипольного электропрофилирования, использующий питающий диполь (заземления A и А) и приемный диполь (заземления М и N), которые размещают вдоль одной прямой (профиль наблюдений). Установку перемещают вдоль профиля и на каждой точке наблюдений выполняют измерения для двух расстояний между центрами диполей (разнос r и разнос r) при неизменном размере питающего и приемного диполей и определяют значения кажущегося электросопротивления для заданных разносов. По графикам ρ, полученным с меньшим разносом (r), выделяют неоднородности верхней части разреза (главным образом в зоне аэрации), а по графикам ρ, полученным с большим разносом (r), определяют зоны пониженного электросопротивления, соответствующие областям смещения массива оползня [1].
к
Недостатком известного способа является появление дополнительных аномалий, возникающих при прохождении над геоэлектрической неоднородностью питающего диполя, что приводит к изрезанности практических графиков ρ и затрудняет интерпретацию результатов.
Известен способ естественного электрического поля, в котором используются два неполяризующихся электрода и регистратор электрического сигнала. Измерения проводятся вдоль профиля наблюдений с заданным шагом, в каждой точке стояния неполяризующиеся электроды подключаются к регистратору и измеряется разность потенциалов естественного электрического поля ΔU. Результаты наблюдений представляются в виде графиков и планов ΔU, по которым фиксируются аномалии от стока поверхностных и подземных вод [2].
Известный способ имеет ряд недостатков: трудные условия заземления, влияние промышленных помех, изменение во времени формы и амплитуды сигнала.
Известен способ трехэлектродного двухстороннего зондирования, в котором два питающих заземления (А) и (В) располагаются на одной прямой (профиле наблюдений) с двумя приемными заземлениями (М и N) на одинаковом расстоянии от центра установки, а третье питающее заземление (С) относится в практическую бесконечность. При каждом положении питающих заземлений (А и В) к одной из клемм генератора источника тока подключается питающее заземление (С), а к другой - поочередно питающие заземления (А и В) и измеряется падение напряжения между приемными заземлениями (М и N) в обоих случаях, затем питающие заземления (А и В) перемещают на одинаковое расстояние от центра установки и измерения повторяют. Перемещение питающих заземлений осуществляется для заданного числа разносов, для которых определяются значения кажущегося сопротивления. Таким образом, в каждой точке наблюдений выполняется двустороннее зондирование и по расхождению право- и левосторонних кривых судят о том, с какой стороны находятся неоднородности [1].
Известный способ имеет существенный недостаток - результаты измерений позволяют определить только качественно электрофизические параметры разреза (вертикальный разрез кажущихся электросопротивлений).
MN
к
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является известный способ вертикального электрического зондирования, выбранный в качестве способа-прототипа. В нем применяется четырехэлектродная симметричная установка (AMNB), в которой приемные (MN) и питающие (АВ) заземления располагаются симметрично на одной прямой относительно центра установки. Приемные заземления остаются неподвижными, а питающие перемещаются так, что расстояние (разносы) между ними постепенно увеличивается. При каждом разносе измеряется падение напряжения между приемными заземлениями ΔU и вычисляется кажущееся сопротивление среды ρ [3]. После количественной обработки полученных данных на основе модели горизонтально-слоистой среды строят вертикальные разрезы геологической среды, по которым определяют мощность (h) и удельное сопротивление (ρ) пластичных (глинистых) пород. По отношению h/H>0.2, где Н-высота склона, и S=h/ρ - значение продольной проводимости глинистого пласта, устанавливают опасные по оползню участки склона [1].
Способ-прототип применяется в основном при исследованиях оползневых процессов, протекающих в естественной геологической среде, как правило, по берегам водоемов, на горных склонах, в карьерах и т.д. Поэтому у способа вертикального электрического зондирования есть недостатки: влияние неоднородностей верхней части разреза на результаты количественной интерпретации; неоднозначность определения электрофизической модели геологической среды; зависимость удельного электросопротивления глинистого пласта от минерализации пластовых вод.
Грунтовые насыпные сооружения (насыпи автомобильных, железных дорог, дамбы, плотины) возводятся из песчано-глинистого материала с добавлением крупнообломочных фракций и имеют квази-слоистую структуру. На фиг.1 показан поперечный геолого-литологический разрез на одном из насыпных участков автодороги, из которого видна слоистая структура как насыпной части сооружения, так и его геологического основания. Это является благоприятной предпосылкой для применения вертикальных электрических зондирований в предлагаемом способе прогнозирования оползней на грунтовых сооружениях.
Целью предлагаемого способа является повышение эффективности выделения опасных по образованию оползней участков на грунтовых искусственных сооружениях при минимуме затрат.
отн.из.
отн.
отн.
отн.из.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом геоэлектрическом способе прогнозирования оползней на искусственных грунтовых сооружениях используется метод вертикальных электрических зондирований, в котором на профиле наблюдений на одинаковом расстоянии от точки наблюдения располагаются два приемных заземления, подключенных к измерителю, и два питающих заземления, подключенных к источнику электрического тока, и при каждом перемещении питающих заземлений на одинаковое расстояние от точки наблюдений измеряется падение напряжения между приемными заземлениями; измерения проводятся по профилям наблюдений, расположенным вдоль полотна, откоса и у подножья с одной и с другой стороны насыпи, после чего определяются значения кажущихся сопротивлений по этим профилям, затем по данным количественной интерпретации вычисляются мощности и удельные сопротивления слоев грунтового материала насыпи, составляются продольные разрезы и определяется продольная проводимость обводненного пластичного глинистого материала, по которой выделяются участки, опасные по возникновению оползня с одной и с другой стороны насыпи, затем по этим участкам составляются поперечные разрезы, определяется измеренная относительная продольная проводимость S и поверхность скольжения обводненного глинистого материала насыпи, по наклону которой дается прогноз, с какой стороны насыпи может произойти выдавливание грунтового материала; на выявленных обводненных участках берутся пробы воды, измеряется ее удельное электрическое сопротивление и по известной зависимости определяется минерализация проб воды, по которой находится относительная продольная проводимость глины при полном ее насыщении S и при отношении S/S≥1 судят о максимально возможном условии для схода оползня. Для исследования динамики оползневых процессов на выявленных обводненных участках проводятся режимные наблюдения на опорных пунктах с обеих сторон насыпи, изучают изменения со временем измеренной относительной продольной проводимости и определяют сторону насыпи, с которой произойдет оползень.
MN
к
Предлагаемый способ осуществляется с серийной электроразведочной аппаратурой (например ЭРА, ЭРА-ЗНАК) следующим образом. Изучение насыпи целесообразно проводить сначала с одной стороны насыпи по профилям наблюдений, расположенным вдоль полотна, откоса и основания насыпи. Схема профилей наблюдений приводится на фиг.2. На профиле наблюдений на одинаковом расстоянии от точки измерения располагаются два приемных заземления (MN), подключенных к измерителю, и два питающих заземления (АВ), подключенных к источнику электрического тока. При этом в процессе измерений приемные заземления остаются неподвижными, а перемещаются питающие заземления на одинаковое расстояние (полуразнос) от точки наблюдений, измеряется падение напряжения ΔU и вычисляется кажущееся сопротивление ρ между приемными заземлениями при каждом перемещении питающих заземлений. Расстояние между точками наблюдений выбирается так, чтобы обеспечить необходимую детальность исследований, а величина максимального разноса должна быть такой, чтобы можно было изучить тело насыпи и верхнюю часть геологического разреза для выявления обводненных участков в основании насыпи, поскольку зачастую обводнение насыпного материала происходит за счет подземных вод, залегающих близко к основанию грунтового сооружения.
к
По полученным данным ρ, проводится количественная интерпретация: определяются мощности, удельные сопротивления слоев грунтового материала и геологической среды под насыпью; составляются по профилям вдоль насыпи геоэлектрические продольные разрезы; вычисляются графики продольной проводимости S для обводненных слоев. На участках профиля, где выделяются наибольшие значения S, увеличена пластичность глинистого материала и высока вероятность его выдавливания.
На втором этапе исследований выполняются вертикальные электрические зондирования с другой стороны насыпи также вдоль ее полотна, откоса и основания по аналогичной методике. Точки наблюдений располагаются напротив пикетов, закрепленных с уже изученной стороны, так, чтобы прямая, соединяющая три пикета на трех профилях с одной стороны и противоположные три пикета на трех профилях с другой стороны, проходила под прямым углом к направлению полотна насыпного сооружения (фиг.2). По трем продольным профилям строятся геоэлектрические разрезы, выделяются области с наибольшей обводненностью и по ним, а также по участкам, выделенным на первом этапе исследований, составляются поперечные геоэлектрические разрезы (схема поперечных профилей приводится на фиг.2). На фиг.3 показан схематический поперечный геоэлектрический разрез, по которому определяется величина h/H (h - мощность обводненного слоя, Н - высота насыпи от поверхности до подошвы глинистого обводненного слоя), продольная проводимость (S) и подошва обводненного глинистого материала, которая при развитии оползня на данном участке является плоскостью скольжения выдавливаемого материала (фиг.3). По наклону плоскости скольжения судят о направлении движения выдавливаемой массы, т.е. определяют сторону насыпи, на которой возможно развитие оползня.
отн.из.
отн.
Известно, что пластичность глины зависит от ее водонасыщенности. В литературе приводятся данные об удельном электрическом сопротивлении глин при их насыщении водой с разной минерализацией [4]. В предлагаемом изобретении предлагается определять параметр измеренной относительной продольной проводимости S=h/(Hρ) обводненного глинистого материала и сравнивать его с рассчитанной S≈0.2/ρ, где h/H=0.2 (при таком соотношении уже могут образоваться оползни [1]), ρ - удельное электросопротивление насыщенной глины при конкретной минерализации воды [4]. Водонасыщенная глина имеет максимальную пластичность, за счет чего увеличивается вероятность возникновения оползня выдавливания в грунтовом сооружении. Значения относительной продольной проводимости глины в зависимости от минерализации поровой воды приводятся в таблице (фиг.4).
отн
отн.
отн.из.
Измеренную относительную продольную проводимость глинистого материала, полученную по результатам исследований, можно сравнить с табличной, только зная минерализацию подземной воды, распространенной в районе размещения грунтового сооружения. Для этого необходимо отобрать пробы воды вблизи сооружения, а лучше непосредственно на обнаруженных участках повышенной обводненности, измерить ее удельное электрическое сопротивление и по известной зависимости удельного электрического сопротивления раствора от степени его минерализации [4] определить минерализацию проб воды. Затем для найденной минерализации по таблице находится S. Если отношение расчетной (табличной) относительной продольной проводимости глины к измеренной S/S≥1, то это является показателем формирования оползня.
По всем перечисленным параметрам дается прогноз о степени оползневой активности в насыпном грунтовом сооружении.
oтн.из.
Третий этап исследований предполагает закрепление опорных точек на опасных по оползневому процессу участках и проведение режимных мониторинговых наблюдений по предложенной методике с целью: исследование динамики развития оползневого процесса в насыпном глинистом материале грунтового сооружения путем изучения изменения измеренной относительной продольной проводимости грунта (S); определение стороны насыпи, с которой произойдет выдавливание грунта.
Таким образом, преимущество предлагаемого способа состоит в повышении эффективности прогнозирования оползня на искусственных грунтовых сооружениях за счет определения минерализации воды, аккумулируемой в теле насыпи, и мониторинга измеренной относительной продольной проводимости насыпного глинистого материала грунтового сооружения.
Источники информации
1. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. М.: Недра, 1990. С.с.345, 355.
2. Горяинов Н.Н., Боголюбов А.Н., Варламов Н.М. и др. Изучение оползней геофизическими методами. М.: Недра, 1987. С.76-77.
3. Хмелевской В.К. Основной курс электроразведки. М.: МГУ 1970. С.124-128.
4. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. М: Недра, 1984. С.с.161, 169.