Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обобщенная характеристика и методы оценки состояния оползневых склонов 13
1.1 Сущность оползневых явлений 13
1.2 Опасность воздействия оползневых процессов на объекты нефтяной и газовой промышленности 13
1.3 Причины образования оползней 15
1.4 Краткая характеристика инженерно-геологических методов изучения оползней 16
1.4.1 Обобщенная классификация оползней 16
1.4.2 Инженерно-геологические методы изучения оползней 19
1.5 Основные геофизические методы, используемые при исследовании оползневых склонов 23
1.5.1 Оценка гидрогеологической обстановки по данным электроразведки 24
1.5.2 Изучение режима оползневого процесса с использованием сейсмических методов
1.5.2.1 Оценка напряженного состояния оползневого массива по данным сейсморазведки 26
1.5.2.2 Оценка прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов по данным сейсморазведки
1.5.3 Существующие физико-геологические модели оползневых массивов 31
1.5.4 Синтез 2D комплексной физико-геологической модели оползневых склонов 35
1.6 Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2. Обобщенная петрофизическая модель оползневых склонов, сформированных массивами глинистых пород
2.1 Краткая характеристика изучаемых оползневых склонов 41
2.1.1 Физико-географические условия 41
2.1.2 Гидрогеологические условия 42
2.1.3 Геологическое строение 42
2.1.4 Инженерно-геологические условия 46
2.2 Инженерно-геологические факторы, определяющие ПФМ
оползневых склонов 47
2.3 Предпосылки применения электро- и сейсмотомографических методов для
изучения влажности и прочностных характеристик сопротивления сдвигу
глинистых пород 52
2.3.1 Оценка влажности глинистых пород по данным электротомографии 52
2.3.2 Изучение изменения показателей сопротивления пород сдвигу по данным сейсмической томографии 57
2.4 Обобщенная петрофизическая модель оползня асеквентного типа 62
2.8 Выводы к главе 2 68
глава 3. Обоснование применения электрической и сейсмической томографии для изучения оползневых склонов 70
3.1 Компьютерное моделирование в методах ЭТ и СТ 71
3.2 Синтез электротомографических и сейсмотомографических разрезов оползневого склона 3.2.1 Результаты моделирования ЭТ разрезов 73
3.2.2 Результаты моделирования СТ разрезов 86
3.3. Применение электро- и сейсмотомографических исследований при изучении оползневых склонов Северо-Западного Кавказа 94
3.3.1 Электротомографические исследования пространственного изменения влажности глинистых пород оползневых склонов 94
3.3.2 Сейсмотомографические исследования пространственного изменения физико-механических характеристик пород оползневых массивов
3.3.2.1 Оценка изменения величины удельного сцепления глинистых пород оползневых склонов по данным СТ 98
3.3.2.2 Изучение характера изменения величины угла внутреннего трения глинистых пород оползневых склонов по данным СТ 99
3.4 Выводы к главе 3 101
ГЛАВА 4. Формирование комплексной физико-геологической модели оползня на основе данных электро- и сейсмотомографических исследований оползневых склонов северо-западного кавказа 103
4.1 Применение комплексных электро- и сейсмотомографических исследований при изучении оползневых склонов Северо-Западного Кавказа по трассе проектируемого газопровода «Южный поток» 104
4.1.1 Методика проведения электро- и сейсмотомографических исследований 106
4.2 Комплексная интерпретация результатов ЭТ и СТ исследований 111
4.2.1 Результаты электроразведочных работ 111
4.2.2 Результаты сейсморазведочных работ 115
4.2.3 Обобщение результатов работ
4.3 Комплексная физико-геологическая модель 125
4.4 Выводы к главе 4 130
Глава 5. Мониторинг оползневых процессов по данным электротомографии 132
5.1 Предпосылки проведения геоэлектрического мониторинга оползневых процессов 132 5.2 Динамическая геоэлектрическая модель оползневого склона 134
5.3 Электротомографический мониторинг оползневого склона левого берега р. Тосны, в районе г. Никольское Ленинградской области 140
5.3.1 Геологическое строение исследуемого оползневого участка 141
5.3.2 Результаты электротомографического мониторинга 142
5.4 Выводы к главе 5 146
Заключение 148
Список литературы
- Опасность воздействия оползневых процессов на объекты нефтяной и газовой промышленности
- Инженерно-геологические условия
- Применение электро- и сейсмотомографических исследований при изучении оползневых склонов Северо-Западного Кавказа
- Методика проведения электро- и сейсмотомографических исследований
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" магистральные газопроводы относятся к категории опасных производственных объектов. Согласно действующей нормативной документации при проектировании газопроводов в горной местности к особо опасным относятся участки, расположенные в местах проявления оползневых процессов. Размещение любого сооружения на оползне или внутри него, как правило, приводит к активизации оползня. Поэтому важно на стадии проектирования детально изучить строение и свойства грунтов оползневых массивов. Решения этих задач требуются для выбора интервала склонов, в пределах которых снижаются риски, связанные со строительством и последующей эксплуатацией газопроводов.
Значительный вклад в изучение оползневых процессов, структуры оползневых массивов и свойств слагающих их глинистых пород внесли Ф.П. Саваренский, В.Д. Ломтадзе, Е.П. Емельянова, В.И. Осипов, И.П. Иванов, Р.Э. Дашко, А.А. Огильви, Ю.А. Норватов, Н.Н. Горяинов, Ф.М. Ляховипкий, А.Г. Скворцов, О.П. Аникин, В.И. Бондарев, И.Г. Миндель и др.
В связи со сложностью проведения буровых работ на крутых оползневых склонах, инженерно-геологические исследования проводятся по сети, не позволяющей изучить неоднородную структуру оползня с требуемой детальностью. Для получения представительной информации о структуре оползней необходимо привлекать современные геофизические методы исследований.
В целях получения более достоверной и детальной информации, в состав инженерных изысканий для проектирования газопровода «Южный поток», на участках развития опасных оползневых процессов, включены методы электро- (ЭТ) и сейсмотомографии (СТ).
Для повышения эффективности применения геофизических методов и извлечения максимально полной информации о наличие зон ослабления в оползневом массиве, выявления неоднородной структуры и контуров оползневого тела, требуется разработка детальной 2D комплексной физико-геологической модели (ФГМ), отражающей пространственное изменение основных параметров сопротивления пород сдвигу.
Разработанная по данным ЭТ и СТ комплексная 2D ФГМ должна обеспечивать детальное изучение оползневых склонов с целью уточнения и дополнения данных инженерно-геологических изысканий, что позволяет на стадии выполнения проектно-изыскательских работ осуществить выбор интервалов склона, в пределах которых снижаются риски, связанные со строительством и последующей эксплуатацией газопроводов и других инженерных сооружений.
Цель работы сводится к повышению эффективности применения геофизических методов для детального изучения строения оползневых склонов и дополнения данных инженерно-геологических изысканий, на основе разработки 2D физико-геологических моделей (ФГМ) оползней.
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
1. Анализ и обобщение корреляционных связей влажности и
прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых пород с
электрическими и сейсмическими свойствами.
2. Выявление особенностей строения электро- и
сейсмотомографических разрезов, указывающих на изменение физико-
механических свойств глинистых пород, слагающих оползневые склоны.
3. Разработка типичной комплексной 2D ФГМ оползневых склонов,
сложенных глинистыми породами и расположенных на отрогах Северо-
Западного Кавказа по трассе проектируемого газопровода «Южный
поток».
4. Обоснование возможности мониторинга состояния оползневых
склонов на основе разработки динамической геоэлектрической модели
оползня, базирующейся на анализе изменения геоэлектрических
параметров, обусловленных развитием гидродинамических процессов.
Научная новизна:
разработана комплексная 2D физико-геологическая модель оползневых склонов базирующаяся на ЭТ и СТ исследованиях и корреляционных связях влажности и прочностных характеристик сопротивления глинистых грунтов сдвигу с геоэлектрическими и сейсмическими характеристиками;
обоснована целесообразность проведения сейсмической амплитудной томографии для получения сейсмотомографических разрезов, характеризующих пространственное распределение декремента поглощения поперечных волн Qs;
установлена возможность мониторинга состояния оползневых склонов по данным электрической томографии;
сформулированы основные положения комплексной
интерпретации данных сейсмической и электрической томографии с целью детального изучения строения оползневых склонов и получения данных, дополняющих результаты инженерно-геологических исследований.
Основные методы исследований. Анализ и обобщение существующих корреляционных связей влажности и прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов с геоэлектрическими и сейсмическими свойствами. Интерпретация результатов геофизических и инженерно-геологических исследований типичных оползневых склонов Северо-Западного Кавказа. Компьютерное моделирование сейсмо- и электротомографических разрезов оползневых склонов. Томографическая обработка кинематических и динамических параметров волнового сейсмического поля. Комплексная инженерно-геологическая интерпретация данных ЭТ и СТ исследований. Моделирование изменения геоэлектрических параметров, обусловленных развитием гидродинамических процессов. Полевые работы по электротомографическому мониторингу оползневого склона.
Защищаемые положения.
1. Анализ изменений величин удельных электрических
сопротивлений, скоростей и декрементов поглощения поперечных волн,
определенных по данным электро- и сейсмотомографических
исследований, позволяет локализовать зоны, характеризующиеся
повышенной влажностью, пониженными значениями удельного
сцепления и угла внутреннего трения глинистых пород, слагающих
оползневой склон.
-
Комплексная физико-геологическая модель, синтезированная на основе электро- и сейсмотомографических данных, обеспечивает оценку пространственного распределения физико-механических свойств грунтов, характеризующих состояние и устойчивость оползневого склона.
-
Динамическая модель оползневого склона, полученная по данным режимных электротомографических наблюдений, позволяет проследить формирование оползневых трещин и поверхности скольжения оползня на основе изменений параметров геоэлектрического разреза, обусловленных развитием гидродинамических процессов в теле оползня.
Достоверность результатов подтверждается представительным
объемом компьютерного моделирования сейсмо- и
электротомографических разрезов оползневых склонов; большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением полученных
результатов с данными инженерно-геологических исследований и результатами бурения скважин.
Практическая значимость работы. Разработанный подход к изучению оползневых структур, основанный на ЭТ и СТ наблюдениях, обеспечивает детальное и всестороннее изучение неоднородных оползневых структур и дополняет данные инженерно-геологических изысканий. Геологическая интерпретация данных ЭТ и СТ методов, базирующаяся на 2D комплексной физико-геологической и динамической моделях оползневых склонов, является основой качественной оценки пространственного изменения физико-механических свойств слагающих их пород. Применение комплекса электрической и сейсмической томографии совместно с данными инженерно-геологических исследований позволяет осуществить выбор интервалов склона, в пределах которых снижаются риски, связанные со строительством и последующей эксплуатацией газопроводов и других инженерных сооружений.
Реализация результатов исследований. Результаты, полученные в
настоящей работе, применялись ОАО «Гипроспецгаз» при разработке
проектной документации по объекту: «Расширение ЕСГ для обеспечения
подачи газа в газопровод «Южный поток»,
1 -й этап (западный коридор), для обеспечения подачи газа в объеме 31,5 млрд. м /год. Южно-Европейский газопровод. Участок Писаревка-Анапа».
Личный вклад автора заключается в анализе и обобщении корреляционных связей влажности и прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов с геоэлектрическими и сейсмическими характеристиками; анализе материалов инженерно-геологических и инженерно-геофизических исследований; выполнении компьютерного моделирования электро- и сейсмотомографических разрезов оползневых склонов; разработке комплексной 2D физико-геологической модели; организации и выполнении работ по электротомографическому мониторингу, обработке материалов ЭТ и СТ исследований и геологической интерпретации результатов работ; разработке динамической электротомографической модели оползня.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях и семинарах:
- XI международный геофизический научно-практический
семинар «ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ», Санкт-Петербург, 2013г;
10-я международная научно-практическая конференция «ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2014», г. Геленджик, 2014г;
XII международный геофизический научно-практический семинар «ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОИСКАХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ», Санкт-Петербург, 2015г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы 201 страница машинописного текста, включая 43 рисунка и 1 таблицу, 17 приложений и библиографический список из 75 наименований.
Опасность воздействия оползневых процессов на объекты нефтяной и газовой промышленности
Оползни могут классифицироваться по различным параметрам: по размерам, динамики оползневого процесса, строению, причинам образования, условиям возникновения и развития и др. В связи с огромным количеством рассматриваемых признаков и сложностью оползневых явлений, классификаций оползней предложено очень много. Одни из них очень детальные, стараются охватить всевозможные признаки, другие менее детальны, т.к. отражают, по мнению авторов, наиболее важные признаки оползней и свойства пород слагающих их. Так, например А.П. Павлов (1903г.) подразделял оползни на деляпсивные или соскальзывающие, и детрузивные, или толкающие. Исследователь полагал, что к первому типу относятся оползни, у которых движение масс горных пород начинается в нижней части склона, а затем и в верхних - потерявших опору нижележащих пород. Ко второму типу, А.П. Павлов относил оползни, у которых движение масс начинается в верхней части склона. Предлагались и другие типы классификаций: по типам движения горных пород и их составу (Дорожно-исследовательское бюро США, 1958г.); по строению и масштабу явлений (Г.С. Золотарев, 1965г.). В следующей классификации сочетаются несколько основных признаков: форма проявления и характер движения. Осипов В.И. [50] по этим признакам выделяет:
1. Сплывы - это небольшие по площади неглубокие смещения, преимущественно почвенного покрова и подстилающих грунтов. Объем этих смещений не превышает нескольких кубометров.
2. Оплывины - разновидность пластического смещения увлажненных делювиальных отложений, продуктов выветривания или иных поверхностных образований на склонах без четко выраженной депрессии.
3. Оползни-потоки (глетчеровидные оползни) - представляют собой пластическое движение ранее сместившихся оползневых масс по хорошо выраженным в рельефе ложбинами. При проявлении данного вида оползней четко выражена нижняя граница (ложе оползня) пластических деформаций. Активизация этого вида оползней начинается в верхней, головной части склона.
4. Оползни-блоки - представляют собой скользящее, обычно медленное смещение масс горных пород в виде блоков по склону по определенным поверхностям с образованием оползневых ступеней, тыловых ложбин и валов выдавливания (выпирания).
5. Оползни-обвалы - переходная форма смещения горных пород на склоне от оползней к обвалам, когда, наряду со скольжением, проявляются и другие формы движения - перекрывание и свободное падение. Этот тип движения характеризуется полным нарушением первоначальной структуры и перемещением смещающих пород с большими скоростями движения.
Ф.П. Саваренский предложил классификацию оползневых явлений, в основе которых лежат вид, способ, особенности движения масс горных пород, их состояние, причины нарушения равновесия, и динамика явления.
Согласно [60] оползни разделяются по видам: структурные, пластические, структурно-пластические. В свою очередь структурные оползни разделяют на асеквентные, консеквентные и инсеквентные (Рисунок 1.2).
Асеквентные - оползни в однородных неслоистых породах (глины, суглинки, супеси). Поверхность скольжения вогнутая близкая к круглоцилиндрической. Массы горных пород сползают в виде блока. Поверхность скольжения устанавливается по плоскости трещины отрыва. Наиболее вероятная поверхность, та по которой коэффициент устойчивости оползня имеет наименьшую величину. Подошва приурочена к основанию склона. Рисунок. 1.2. Схемы
Консеквентные - образуются в неоднородных, трещиноватых породах. Поверхность скольжения предопределена строением откоса. Сползание в виде блока или вязкой жидкости. Форма поверхности скольжения плоская, плосковолнистая. Такие оползни имеют самое широкое распространение.
Инсеквентные - расположены вкрест простирания пород. Поверхность скольжения пересекается и врезается в слои.
Согласно [41], пластические оползни - всегда консеквентные. Их можно разделить на: - собственно оползни - движение масс по поверхности скольжения расположенной ниже поверхностных слоев; - оползни потоки (сплывы) - движение масс по ложбинам; - солифлюкционные подвижки - медленное течение поверхностных горных пород и почвенного слоя. Структурно-пластические оползни представляют собой скольжение блоков горных пород, которые при движении разрушаются и превращаются в массу подобно вязкой жидкости.
Кроме такой классификации оползневые явления классифицируют по их динамике: активные, временно стабилизировавшиеся, стабилизировавшиеся, полностью стабилизировавшиеся, древние; и по размерам [41; 60].
Инженерно-геологические методы исследования оползней выполняются в соответствии с действующей нормативной документацией [8]. Для проведения оценки оползневой опасности требуется решение ряда вопросов относительно строения склона, условий залегания отдельных слоев и толщ горных пород, состояния и свойств коренных и перекрывающих их более молодых пород, режима подземных вод. Эти вопросы необходимо решить с учетом таких факторов как климат и гидрогеологические условия, история развития оползня, инженерная деятельность человека.
К традиционным методам оценки оползневой опасности относятся инженерно-геологические методы. Каждый оползень имеет определенную подвижность, которая зависит от состояния равновесия слагающих его пород и проявляется в рельефе оползневого участка, в изменении его внутреннего строения и нарушении устойчивости местности и сооружений. Таким образом, инженерно-геологические методы оценки оползневой опасности основываются на изучении [41]:
При использовании позиций, основанных на геологическом описании, для оценки устойчивости оползней следует учитывать, что в отличие от стабилизировавшихся оползней, активные оползни, как правило, имеют свежие следы движения, которые проявляются резкими очертаниями рельефа (выступы, уступы, валы, дерновый покров разорван, наблюдаются многочисленные водопроявления). Анализ структуры таких оползней указывает на неблагоприятно ориентированные поверхности и зоны ослабления.
Изучение закономерностей изменения величины и скорости смещения оползня (динамики) является эффективным методом оценки. С целью проведения таких исследований, на оползневом участке устанавливают сеть реперов (маркеров) по которым ведут наблюдения за изменением их высотного и пространственного положения. Такие наблюдения указывают на тенденцию развития или затухания оползневого процесса. Они позволяют судить о скорости, равномерности и масштабах смещения всего оползня или его частей. Сопоставляя динамику развития оползня с различными факторами (естественными и искусственными), воздействующими на оползневой участок, можно составить заключение об его устойчивости.
Окончательная и основная инженерно-геологическая оценка устойчивости оползня основывается на изучении равновесия масс горных пород. Такая оценка основывается на методах расчета устойчивости оползня. Расчетные методы применяют на стадии детального изучения оползней и обязательно в комплексе с методами геологического описания и изучения динамики их развития. Основой расчета устойчивости оползней является соотношение сдвигающих и удерживающих усилий, действующих на оползень. [31; 41; 42; 60] Это соотношение называют коэффициентом устойчивости оползня rj.
Инженерно-геологические условия
Томографические технологии инженерной геофизики - это целый комплекс, включающий методику полевых наблюдений, технологию обработки и интерпретации полевых данных. Особенностью томографических наблюдений является многократное использование источников и измерительных линий размещаемых на профиле наблюдений. Это приводит к уменьшению общего числа рабочих положений электродов или сейсмоприемников при существенном увеличении плотности измерений по сравнению с классическими методами. Такой подход позволяет с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой стороны, применять эффективные алгоритмы инверсии. Интерпретацию данных ЭТ и СТ можно проводить в рамках двумерных и трехмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых задач, за счет исследования сред, значительно отличающихся от «классических» горизонтально-слоистых. Благодаря методам ЭТ и СТ и использованию алгоритмов подавления искажающего влияния верхней части разреза, можно повысить качество и одномерной интерпретации. [47; 65]
В настоящий момент существует достаточное количество программ, позволяющих выполнять задачи обработки, интерпретации томографических данных, а также выполнять компьютерное моделирование. Лидирующие позиции в области электрической томографии занимает программный пакет Res2Dinv (Geotomo Software). В сфере обработки сейсмотомографических данных, одно из лидирующих мест занимает пакет XTomo-LM (Икс-Гео).
Для решения задач построения синтетических томографических разрезов оползневых склонов использовался пакет программ ZOND (Zond Geophysical Software). Пакет программ включает программы двумерной обработки и интерпретации данных сейсмотомографии ZONDST2D и программы двумерной интерпретации данных метода сопротивлений и вызванной поляризации ZONDRes2D. Преимущества выбранного программного обеспечения заключается в том, что все программы ZOND построены в одной идеологии. Программы "понимают" друг друга, что позволяет оперировать данными различных методов в одной программе и способствует более комплексному подходу к интерпретации данных.
При решении прямой задачи трассировки лучей в программе ZONDST2D используется специальный алгоритм теории графов (Shortest path s method). Данный алгоритм характеризуется высокой скоростью расчетов и контролируемой точностью. При моделировании поля времен среда разбивается сетью прямоугольных ячеек с постоянным значением скорости. Для решения обратной задачи (инверсии) используется метод Ньютона с регуляризацией. Регуляризация повышает устойчивость решения и позволяет получить более гладкое распределение скорости в среде. При разработке обратной задачи особое внимание уделено учету априорной информации (веса отдельных измерений, диапазоны изменения параметров). В «ZONDST2D» предусмотрена система моделирования, включающая все основные типы систем наблюдений, использующиеся в сейсмотомографии. [57]
При решении прямой задачи в программе ZONDRes2D используется математический аппарат метода конечных элементов, дающий лучшие результаты по сравнению с сеточными методами. Для решения обратной задачи (инверсии) используется метод наименьших квадратов с регуляризацией. Регуляризация повышает устойчивость решения и позволяет получить более гладкое распределение сопротивления или поляризуемости в среде. При разработке обратной задачи особое внимание уделено учету априорной информации (веса отдельных измерений, диапазоны изменения параметров). «ZONDRES2D» обладает мощной системой визуализации профильных данных, редактором измерений, и системой анализа чувствительности и разрешающей способности метода. Для отображения измеренных и рассчитанных значений, а также разницы между ними или весов измерений в программе используются два вида графов: план графиков и псевдоразрез. В редакторе электродов имеется возможность просмотреть параметры установки измерений, задать веса (значимость) отдельных измерений и подкорректировать значения измеренных характеристик. В «ZONDRES2D» предусмотрена система моделирования, включающая все основные типы установок, использующиеся в методе сопротивлений. [56]
Для оценки возможности применения электрической томографии по определению распределения влажности глинистых пород, слагающих оползневой склон, выполнено компьютерное моделирование в программе ZondRes2D v.5.0. В связи с тем, что накопленный практический материал по электрической томографии, выполненной в рамках инженерно-геофизических изысканий по изучению участков развития склоновых процессов на трассе МГ «Южный поток», получен с использованием электроразведочной установки Шлюмберже, решение прямой задачи, при моделировании, также выполнено для той же электроразведочной установки. размеры ячеек: по вертикали 0,3м по горизонтали 0,5м. Представленные геоэлектрические модели синтезированы на основании результатов электротомографических и инженерно-геологических исследований оползневых склонов по трассе проектируемого газопровода «Южный поток». В моделях предполагается, что поверхность склона деформирована ранее произошедшими оползневыми процессами. Удельные электрические сопротивления моделей выбирались исходя из зависимостей удельных электрических сопротивлений суглинков от их влажности (рисунок 2.7). Для простоты расчета модели примем, что другие факторы, влияющие на изменение электрических сопротивлений породы (глинистость, минерализация поровой влаги и т.д.) неизменны.
Масса оползневых накоплений (тело оползня), расположенных на склоне выше поверхности скольжения, а также порода в коренном залегании, незатронутая оползневым смещением, характеризуются в модели одинаковыми значениями W около 20% и УЭС, равными 20 Ом-м. Зона поверхности скольжения, по форме близкая к круглоцилиндрической, расположена на разрезе между пикетами профиля ГЖ25 и ПК58. Эта зона характеризуется повышенными значениями влажности W=35% и пониженным значением удельного электрического сопротивления 5 Ом.м.
Решение прямой задачи позволило получить распределение кажущихся сопротивлений для электроразведочной установки Шлюмберже, т.е. синтетическое электрическое поле геоэлектрической модели оползня, изображенной на рисунке 3.1. Результат решения прямой задачи изображен на рисунке 3.2.
Применение электро- и сейсмотомографических исследований при изучении оползневых склонов Северо-Западного Кавказа
Физико-геологическая модель оползня состоит из петрофизической модели (ПФМ), которая базируется на анализе и обобщении корреляционных связей между физико-механическими и водно-физическими свойствами грунтов оползневого массива и их физическими свойствами, а также синтезированных на основе электро- и сейсмотомографических исследований разрезов.
В главе 2, на стадии обобщения петрофизической модели оползня асеквентного типа выделены четыре основных структурно-вещественных комплекса (СВК), которые позволяют охарактеризовать геоэлектрические и сейсмические свойства каждого элемента оползня.
Анализ и обобщение корреляционных связей влажности и физико-механических свойств глинистых грунтов, определяющих сопротивление их сдвигу, с геоэлектрическими и сейсмическими характеристиками, результатов компьютерного моделирования электро- и сейсмотомографических разрезов, а также интерпретации геолого-геофизических исследований оползневых склонов отрогов гор Северо-Западного Кавказа позволяет отобразить взаимосвязь комплексных петрофизических характеристик основных элементов оползня с синтезированными ЭТ и СТ разрезами и сформировать комплексную физико-геологическую модель. На рисунке 4.4 представлена обобщенная комплексная 2D ФГМ оползня, сформированного массивом глинистых грунтов. ФГМ отражает основные элементы оползня, выделяемые на основе анализа и обобщения материалов электрической и сейсмической томографии.
Основным структурным элементом оползня является поверхность скольжения (СВКЗ), берущая свое начало от трещины отрыва. Этот элемент оползня обладает наиболее контрастными и ярко выраженными геоэлектрическими и сейсмическими свойствами. В то же время, при достаточно больших размерах в плане, зона поверхности скольжения характеризуется незначительной мощностью. Именно это обстоятельство вызывает наибольшие споры о возможности ее выделения с помощью наземных инженерно-геофизических методов. трещина отрыВа нобого оползнеВого цикла оползнеВоР уступ и трещина отрыВа приповерхностный слой
Области расположения оползнеВых трещин и поверхности скольжения характеризуются пониженными значениями Vs и УЭС, обусловленными yMeHbuueHueN Величин удельного сцепления С и повышением Влажности глинистых пород "Резервная зона" Выделенная по данным СТ, характеризующаяся значительными изменениями сейсмических сВойстВ глинистых пород, но располагающаяся ниже предполагаемой поверхности скольжения
Как показывают выполненные исследования, практически выделить поверхность скольжения на ЭТ и СТ разрезах возможно только в приповерхностной ее части - трещине отрыва. Оползневые трещины уверенно выделяются с помощью комплекса 2D геотомографии. Они проявляются на электротомографических и скоростных сейсмотомографических разрезах поперечных волн Vs, как локальные субвертикальные области пониженных значений УЭС и Vs, обусловленные локальным увеличение влажности и уменьшением величины удельного сцепления С глинистых пород в зоне трещин отрыва. Как показывают экспериментальные геотомографические исследования, в районе расположения трещин отрыва значения УЭС могут уменьшиться в два раза, по сравнению с ненарушенной частью, а значения Vs могут уменьшиться на величину до 30%. Такое изменение величины УЭС соответствует незначительному увеличению влажности глинистых грунтов, порядка 5-10%, в то же время, потеря удельного сцепления С глинистых грунтов будет значительной, и составит порядка 60-80%.
Несмотря на то, что поверхность скольжения на ЭТ и СТ разрезах выражена очень слабо, ее расположение можно определить по косвенным признакам, путем выделения контура оползневого тела, ограниченного поверхностью скольжения.
Породы слагающие оползневое тело (СВК2), как правило, механически разрушены. В связи с наличием многочисленных зон сжатия и растяжения, трещин и разрывных нарушений, они характеризуются широким диапазоном изменения геоэлектрических и сейсмических свойств. Приповерхностный слой тела оползня (СВК2-1), обладает более высокими, чем подстилающие его породы, значениями величин УЭС, также он характеризуется аномально низкими значениями скоростей распространения сейсмических волн и высокими отношениями скоростей VJVP. Структура оползневого тела - неоднородна, непрерывность слоев глинистых пород часто нарушена оползневыми трещинами. По этой отличительной характеристике, оползневое тело хорошо выделяется, с помощью метода электрической томографии, на фоне пород незатронутых оползневым смещением (СВК1).
Вследствие механического разрушения пород оползневого тела и частичной потери ими физико-механических свойств С и р, тело оползня наилучшим образом выделяется на 2D томографических разрезах по уменьшению величин распространения скоростей поперечных волн Vs и декрементов их поглощения Qs. Величина Vs в теле оползня может достигать 1/2, от той же величины, в породах незатронутых смещением. В отличие от изменений Vs, величина декремента поглощения Qs изменяется не столь интенсивно, кроме того, метод томографической обработки по параметру поглощения не обладает столь высокой разрешающей способностью. Величина QSB теле оползня может составлять до 4/5, от той же величины, в породах незатронутых смещением.
Вследствие нарушения структурных связей, выветрелости и наличия многочисленных зон сжатия и растяжения в глинистых породах оползневого тела, они также будут характеризоваться пониженными значениями скоростей продольных волн Vp, и повышенными значениями отношения скоростей VJVp.
Согласно сейсмотомографическим исследованиям пространственного распределения величины V/Vp, непосредственно под зоной поверхности скольжения располагается «резервная зона», которая потенциально может быть вовлечена в процесс смещения. В пределах этой зоны кинематические параметры распространения сейсмических волн занимают промежуточное значение между породами оползневого тела и незатронутых смещением [21]. Также, в пределах «резервной зоны», отмечаются аномально высокие значения Qs, связанные, скорее всего, с напряженным состоянием массива.
Методика проведения электро- и сейсмотомографических исследований
На следующих стадиях развития оползневого процесса, по мере проникновения влаги в тело оползня отмечается формирование локальных субвертикальных области пониженных значений величины dpi По мере развития оползневого процесса, значения dpi последовательно уменьшаются, вплоть до наименьших значений дрб=0,72. В этот период времени 4, влага полностью распределилась в зонах трещин отрыва и поверхности скольжения оползня. Значения влажности суглинков в этих зонах достигли порядка 30%, что примерно соответствуют значениям на границе раската этих глинистых пород. На разностном разрезе дрв отчетливо выделяются локальные субвертикальные области пониженных значений, приуроченных к зонам трещин отрыва. На этой стадии зона пониженных значений дрв охватывает контуры оползневого тела, ограниченные поверхностью скольжения. Отметим, что амплитуда «компенсационных» аномалий также существенно увеличивается.
Результаты компьютерного моделирования позволяют обосновать выполнение режимных наблюдений методом электротомографии для изучения динамики оползневых процессов. Разностные электротомографические разрезы отражают незначительное изменение влажности глинистых пород в зонах формирования трещин отрыва и поверхности скольжения оползня. На основании разностных разрезов можно проследить динамику процесса оползнеобразования, а также установить положение основных элементов оползня на ранней стадии их формирования.
Электротомографический мониторинг оползневого склона левого берега р. Тосны, в районе г. Никольское Ленинградской области Экспериментальное подтверждение сделанных выводов, базирующихся на результатах компьютерного моделирования, получено на основании электротомографического мониторинга оползневого склона левого берега р. Тосны, в районе г. Никольское, Ленинградской области. Геологическое строение исследуемого оползневого участка
На оползнеопасных склонах распространены глинистые отложения, представленные нижнекембрийскими синими глинами лонтоваского горизонта. В районе г. Никольское, лонтоваские глины залегают под маломощными четвертичными отложениями, представляющими из себя элювиальные и делювиально-коллювиальные отложения. Горизонт четвертичных отложений сложен суглинками коричневого цвета с примесью обломочного материала [43].
Лонтоваские синие глины на всей площади распространения отличаются сравнительно однородным составом и строением. Цвет меняется от голубоватого до зеленовато-серого. Глины пластичные, быстро размокают в воде, местами аргеллитоподобные, содержат редкие маломощные прослои и линзы глинистых песков. В сухом состоянии глины сланцеватые, но бывают массивные с раковистым изломом. Встречаются кристаллы, друзы пирита и марказита. В химическом составе преобладают оксиды кремния и алюминия.
Глины гидрослюдистые. В их составе преобладают различные типы гидрослюд, образование которых обычно происходит на первых этапах выветривания материнских пород в условиях холодного и умеренно теплого климата.
Органические остатки малочисленны. Встречаются остатки трубчатых червей, трилобитов и спор, подтверждающие раннекембрийский возраст лонтоваского горизонта. Мощность лонтоваских синих глин в предглинтовой низменности, в долине реки Тосны составляет 20-50 м. [43]
По данным исследований обнажений, уже сошедшего оползня, мощность четвертичных отложений оползневого участка левого берега р. Тосны составляет около 5 м (Рисунок 5.4а). Поверхность скольжения оползня приурочена к ослабленному контакту четвертичных суглинков и лонтоваских синих глин (Рисунок 5.46).
Работы по электротомографическому мониторингу выполнялись на оползневом склоне левого берега р. Тосны, в районе г. Никольское Ленинградской обл. Результаты электротомографических исследований позволяют оценить возможности данных технологий инженерной геофизики для проведения мониторинга оползневых процессов.
Поскольку, обследованный интервал оползневого склона сложен глинистыми породами. В его пределах развиваются оползни пластические, асеквентного или консеквентного типов.
Электротомографические наблюдения проведены с использованием многоэлектродной электроразведочной станции «Омега-48» (Рисунок 5.5), дипольно-осевой электроразведочной установкой. Измерения выполнены с помощью двухсегментной косы, предназначенной для коммутации 48 электродов по 24 электрода в каждом сегменте. Электроды размещались вдоль косы с шагом 4м.
Рисунок 5.5. Электротомографические работы проводимые в июле 2013 г. (а) и марте 2014 г (б)
Обработка электротомографических данных осуществлена методом 2D инверсии, принятой в геоэлектрической томографии. Инверсия выполнена с помощью лицензионной компьютерной программы ZondRes2D, ver.5.0. Процедура инверсии обеспечила подбор 2D распределения удельного электрического сопротивления (УЭС) в сеточной модели среды.
Результаты мониторинга оползневого склона представлены в виде электротомографических разрезов полученных в июле 2013 г. (Рисунок 5.6а) и в марте 2014 г. (Рисунок 5.66), а также разностного электротомографического разреза отношений дрг =рг / Pi удельных электрических сопротивлений р2, полученных в марте 2014г., к значениям pi, полученным в июле 2013г. (Рисунок