Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Физико-геологические модели оползневых склонов по данным электро- и сейсмотомографии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Физико-геологические модели оползневых склонов по данным электро- и сейсмотомографии"

На правах рукописи

БУРЛУЦКИЙ Станислав Борисович

9 15-4/20

ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОПОЛЗНЕВЫХ СКЛОНОВ ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРО-И СЕЙСМОТОМОГРАФИИ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент

Гпазунов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

Шевнин Владимир Алексеевич

доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» кафедра геофизических методов исследования земной коры, профессор

Федотов Сергей Александрович

кандидат технических наук, ООО «Геосигнал», заместитель генерального директора

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита диссертации состоится 16 октября 2015 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 30 июля 2015 года

Ученый секретарь г Кирьякова

диссертационного совета А т Ирина Геннадьевна

РОССИЙСКАЯ.

1СУДАРСТВЕННАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PAbßf ЙГИ0ТЕК А-

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, A.A. Огильви, Ю.А. Норватов, H.H. Горяинов, Ф.М. Ляховицкий, 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 (CT).

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 20 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 ТО 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 2Т) ФГМ оползневых склонов, сложенных глинистыми породами и расположенных на отрогах СевероЗападного 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 2В 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 Ов;

• 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.

2. 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.

3. 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 Ю 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. м3 /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 2В 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

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОИСКАХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ», Санкт-Петербург, 2013 г;

- Ю-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.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., профессору В.В. Глазунову.

Автор благодарен за участие в обсуждении основных результатов и консультации по рассматриваемым в диссертации вопросам коллективу кафедры геофизических и геохимических методов поисков и разведки полезных ископаемых Горного университета, а также коллективу кафедры гидрогеологии и инженерной геологии проф. И.П. Иванову, Ю.А. Норватову, доц. Г.Б. Поспехову. Автор выражает благодарность за консультации и помощь в организации полевых работ коллективу ООО НПП «Инжгеофизика» H.H. Ефимовой и А.И. Куликову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику работы.

Первая глава содержит краткую характеристику оползневых явлений, инженерно-геологических и инженерно-геофизических методов оценки состояния оползневых склонов, а также анализ существующих физико-геологических моделей оползней.

Вторая глава содержит описание геологического строения изучаемых оползневых склонов Северо-Западного Кавказа. На основе характера пространственного распределения влажности и прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов в оползневом склоне, а также анализа имеющихся корреляционных зависимостей указанных свойств с геоэлектрическими и сейсмическими характеристиками, представлена базовая петрофизическая модель оползня, сложенного массивом глинистых грунтов.

Третья глава посвящена анализу возможностей сейсмической и электрической томографии для изучения особенностей пространственного распределения геоэлектрических и сейсмических свойств пород оползневых массивов, обусловленных изменением влажности и параметров сопротивления пород сдвигу. В главе обосновывается первое защищаемое положение.

Четвертая глава содержит результаты комплексной геолого-геофизической интерпретации данных ЭТ и СТ исследований типичного оползневого склона Северо-Западного Кавказа, сформированного массивом глинистых пород. Приведена разработанная комплексная 2Э физико-геологическая модель оползня. В главе обосновывается второе защищаемое положение.

Пятая глава посвящена применению электрической томографии для мониторинга оползневых процессов. Рассмотрена динамическая модель оползневого склона, полученная по данным режимных электротомографических наблюдений, анализ которой позволяет проследить динамику процесса оползнеобразования за счет изменения геоэлектрических параметров, обусловленных развитием гидродинамических процессов. В главе обосновывается третье защищаемое положение.

Заключение содержит основные выводы по результатам исследований.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

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.

Согласно существующим представлениям (Иванов И.П., 2000), факторы оползневого процесса можно разделить на две группы:

1. Изменяющие состав, состояние и свойства грунтов, слагающих оползневой склон.

2. Изменяющие напряженное состояние массива пород, слагающих склон.

К факторам первой группы, понижающих прочность пород, а следовательно уменьшающих показатели сопротивления пород сдвигу (удельное сцепление С и угол внутреннего трения (р), относятся такие

природные процессы, как выветривание пород, увлажнение природными водами и др.

В большинстве случаев, вследствие ненарушенности связей, породы незатронутые оползневым смещением будут иметь показатели сопротивления пород сдвигу (С и <р) несколько выше, чем в теле оползня. Наименьшими значениями показателей С и <р, вследствие разрушения структурных связей, обладают породы, слагающие зоны трещин отрыва и поверхности скольжения. В тоже время, зона скольжения характеризуется повышенными значениями влажности W глинистых пород (Огильви A.A., 1990). Эти выводы позволяют на качественном уровне сформировать инженерно-геологическую модель оползневого склона асеквентного типа, с указанием пространственного распределения показателей сопротивления пород сдвигу (С и <р), а также влажности (W) глинистых пород (Рисунок 1а). Значения физико-механических свойств и влажности глинистых пород оползневого склона можно охарактеризовать в виде следующих соотношений:

<р Хр >ю; С >С >С ; W >W >W _

W 12 3 3 2 1 , где

q> С/ Ж - породы, не вовлеченные в оползневой процесс;

С W- породы разрушенной и уже смещенной части оползня;

(р С^ W - пород находящиеся в зоне скольжения.

Породы приповерхностного слоя, вследствие интенсивного воздействия агентов выветривания, сильно разрушены. Поэтому, показатели сопротивления сдвигу {(р и С) пород приповерхностного слоя будут иметь достаточно низкие значения.

Как известно, показатели сопротивлению глинистых пород сдвигу (р и С зависят от влажности W. Ранее выполненные исследования показывают, что увеличение влажности грунта приводит к резкому уменьшению показателей сопротивления пород сдвигу. Таким образом, можно сделать вывод, что области повышенной влажности глинистых грунтов, слагающих оползневый склон, являются ослабленными.

Электрические свойства глинистых пород и глинистых минералов в значительной степени зависят от их влажности. Согласно ранее проведенным исследованиям увеличение влажности глинистых пород приводит к значительному уменьшению их удельных электрических сопротивлений (Шарапанов H.H., 1974). Таким образом, изменение прочностных характеристик С и <р глинистых пород оползневых склонов, вследствие изменения их влажности, напрямую проявляется в изменении

их электрических свойств. Это обстоятельство открывает широкие возможности для применения современных методов электроразведки, к которым, прежде всего, относится электрическая томография, для изучения оползневых склонов.

Показатели сопротивления пород сдвигу С и ср наиболее тесно связаны с характеристиками распространения поперечных волн. Как показали ранее выполненные исследования (Аникин О.П., 1985), при примерно одинаковых плотностях глинистых пород, один из показателей пород сдвигу - сцепление С, пропорционален квадрату величины скорости поперечных волн V,. Для четвертичных неводонасыщенных суглинков средней полосы Европейской части России, между (р и декрементом поглощения поперечных волн существует линейная зависимость. Зависимость справедлива в диапазоне изменения величины угла внутреннего трения 5 <<р° <15. Уравнение связи имеет вид:

Таким образом, наличие тесных связей сейсмических характеристик с показателями сопротивления пород сдвигу открывает возможности для применения современных методов сейсморазведки, к которым, прежде всего, относится метод сейсмотомографии.

Выполненный анализ распределения влажности и параметров сопротивления глинистых пород сдвигу, а также зависимостей этих свойств от геоэлектрических и сейсмических параметров позволяет сформировать базовую петрофизическую модель (ПФМ) (Рисунок 16), отражающую распределение геоэлектрических и сейсмических свойств глинистых пород оползневого массива. Значения петрофизических характеристик можно охарактеризовать в виде следующих соотношений: 0,з < <2*2 < К3 < У,2 < V,,; Рз<Р2< Р1

< <2x2: У¡2-1 < Уз2; Р2-] - изменяются в широком диапазоне.

В целях изучения принципиальных возможностей ЭТ и СТ технологий для выделения зон ослаблений в оползневом массиве, характеризующихся повышенной влажностью, пониженными значениями удельного сцепления и угла внутреннего трения глинистых пород, выполнено компьютерное моделирование электро- и сейсмотомографических разрезов оползневого склона. В пределах склона рассмотрен оползень, сложенный суглинками (Рисунок 2 а, б).

Результаты компьютерного моделирования показали принципиальную возможность выделения в разрезе оползневого склона таких важных элементов оползня, как оползневые трещины (Рисунок 2 в, г). Благодаря уменьшению средних величин УЭС и У„ обусловленных

10

повышенной влажностью и пониженными величинами удельного сцепления, на синтетических ЭТ и СТ разрезах выделяется тело оползня, характеризующееся неоднородной структурой. В связи с малой мощностью зоны поверхности скольжения ее влияние на электротомографическом разрезе проявляется незначительно. В то же время, выделение контура тела оползня, позволяет определить пространственное расположение поверхности скольжения.

зона аэрации

О 2 Л 6 8 10 12 I.

Механически разрушенные породы, слагающие основную массу У//}/ \ оползня с трещинами отрыва

Вследствие сложного характера движения оползня, создаются разнообразные сочетания зон сжатия и растяжения.

Трещина отрыва нового оползневого цикла

ф, С, УУ Угол внутреннего трения, сцепление и влажность пород 0. Декремент поглощения поперечных волн У1 Скорость поперечных волн, км/с р Удельное электрическое сопротивление, Ом'м

Рисунок 1. Инженерно-геологическая (а) и петрофизическая (б) модели оползня асеквентного типа

В подтверждение результатов моделирования, выполнен анализ практических материалов ЭТ и СТ исследований типичных оползневых склонов Северо-Западного Кавказа, сложенных массивами глинистых грунтов. На рисунках 3 и 4 изображены фрагменты: ЭТ разреза, СТ разреза скорости распространения поперечных волн и декремента поглощения поперечных волн оползневых склонов. Представленные ЭТ и СТ разрезы подтверждают результаты выполненного моделирования и демонстрируют возможности томографических технологий по изучению неоднородной структуры оползневых склонов и локализации в оползневых массивах ослабленных зон, характеризующихся повышенной влажностью, а также пониженными значениями удельного сцепления и угла внутреннего трения глинистых пород.

2. 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.

Комплексная ФГМ оползневых склонов построена на основе анализа результатов сейсмо- и электротомографических исследований (Рисунки 5а-9а) и обобщения корреляционных связей влажности и прочностных параметров сопротивления сдвигу глинистых грунтов с геоэлектрическими и сейсмическими свойствами.

Анализ электро- и сейсмотомографических разрезов выполнялся совместно с материалами инженерно-геологических исследований. На основе анализа указанных материалов построены геоэлектрический разрез (Рисунок 96), сейсмогеологические разрезы скоростей распространения поперечных V, (Рисунок 56), продольных Ур (Рисунок 66) волн, их отношения У/Ур (Рисунок 86) и декрементов поглощения поперечных волн (Рисунок 76).

На рассматриваемых оползневых склонах распространены в основном четвертичные отложения, представленные элювиальными и делювиальными суглинками и глинами. По данным бурения отмечается увеличение влажности с глубиной, также с глубиной наблюдается увеличение показателей устойчивости пород сдвигу.

Выполненный анализ позволяет сделать вывод о том, что метод электрической томографии позволяет с высокой степенью детальности изучить неоднородную структуру оползневого тела и проследить изменения состава и состояния глинистых пород (Рисунок 9). Приповерхностная часть разреза разбита линейными низкоомными зонами, нарушающими непрерывность приповерхностных слоев. Эти зоны контролируют локальные повышения влажности пород и соответствуют трещинам отрыва. Поверхность скольжения оползня близка к кровле подстилающих слоев, характеризующихся низкими значениями УЭС. Исходя из указанных ранее зависимостей, можно утверждать, что низкие значения УЭС на электротомографических разрезах, достигающие значений 4 Ом м, связаны со значительным увеличением водонасыщения пород. На электротомографическом разрезе отчетливо прослеживаются изменения влажности, которые обуславливают изменения параметров сопротивления сдвигу глинистых грунтов.

Сейсмотомографические разрезы склона характеризуют 2D распределение скоростей поперечных (Vs) и продольных (Vp) волн, их отношения (VJVP), а также декремента поглощения поперечных (Qs) волн. На сейсмотомографических разрезах значения скоростей увеличиваются с глубиной, в то же время, значения Vs/Vp с глубиной уменьшаются (Ур -от 200 до 1800 м/с; Vs - от 150 до 600 м/с; VJVP - от 0,15 до 0,6). Такой большой диапазон величин скоростей сейсмических волн указывает на неоднородность глинистых пород, слагающих оползневой склон.

На сейсмических разрезах распространения скоростей упругих волн, а также их отношения VJVp наблюдается область значительного снижения скоростей Vs(до 150-300 м/с), Vp (до 200-700 м/с) и увеличения VJVp (до 0,4—0,6) в средней и нижней частях склона. Наличие этой области, имеющей протяженность почти 125м и расположенной на глубине до 8-10м, как сказано выше, можно объяснить повышенной степенью разрушенности глинистых пород тела оползня. Кроме того, на фоне общего снижения скорости в верхней части разрезов, на разрезе Vs отмечаются локальные субвертикальные области пониженных значений скорости. С учетом ранее изложенных корреляционных связей, аномально низкие значения скорости Vs связаны с высокой степенью разрушенности структурных связей и низкими значениями удельного сцепления пород С, а локальные области пониженных значений скорости поперечных волн могут соответствовать оползневым трещинам.

Генеральной особенностью распределения в разрезе оползневого склона величины декремента поглощения поперечных волн Qs, является ее увеличение с глубиной. В верхней части разреза отмечаются относительно низкие значения Qs, что говорит о наличии пород с низкими значениями угла внутреннего трения. Предполагаемая граница, разделяющая слои пород с различными величинами <р, проведена вдоль линий повышенных градиентов и соответствует <р=10°. Ниже выделенной границы, величина декремента поглощения резко возрастает. Обращает на себя внимание линзовидная область аномально высоких значений декремента поглощения в центральной части сейсмотомографических разрезов Qs. Согласно ранее выполненным исследованиям (Григорян М.А., 1979; Огильви A.A., 1990; Горяинов H.H., 1992), эта область связана с напряженным состоянием массива. Количественную оценку величины угла внутреннего трения ср по параметру декремента поглощения поперечных волн Qs, значительно осложняет ряд факторов, в том числе отсутствие четких зависимостей между этими параметрами для глинистых пород, слагающих изучаемые оползневые склоны, а также

влияние напряженного состояния оползневого массива. При этом, как показывает лабораторный анализ материалов бурения, тенденция распределения величины угла внутреннего трения (р глинистых пород, определяющая устойчивость сдвигу, сохраняется. Таким образом, декремент поглощения в той или иной степени отражает распределение угла внутреннего трения (р.

Согласно ранее выполненным исследованиям (Горяинов H.H., 1992), нормальная величина отношения VJVP для глин с порами, полностью заполненными водой, составляет 0,1-0,2. Этот интервал значений VJVp соответствует на разрезе твердым элювиальным глинам, подстилающим оползневое тело. В центральной части склона наблюдается локальная область повышенных значений VJVP (0,3-0,4). Область находится ниже зоны нарушенных пород оползневого тела. Причем величины VJVP в ней занимают промежуточные значения, свойственные породами, расположенными в зоне смещения и незатронутой деформациями частью массива глинистых пород. Эту область, согласно Огильви A.A., следует рассматривать в качестве «резервной зоны», которая может быть вовлечена в последующие смещения (Огильви A.A., 1990).

Анализ выделенных на петрофизической модели структурно-вещественных комплексов (СВК) показал, что каждый элемент оползня характеризуется определенным набором электрофизических и сейсмических свойств. Например, оползневые трещины (отрыва), в большинстве случаев, характеризуются пониженными значениями р и Vs. Это обстоятельство позволяет осуществить комплексный подход к изучению строения оползневых структур, интерпретации данных томографии и формированию комплексной физико-геологической модели (ФГМ).

Обобщение материалов электрической и сейсмической томографии, совместно с информацией об инженерно-геологическом строении оползневого склона, позволило выполнить комплексную интерпретацию и сформировать ФГМ.

Согласно комплексной интерпретации (Рисунок 10), поверхность скольжения располагается преимущественно в ослабленной зоне, приуроченной к границе глинистых пород различной консистенции, генезиса и литологического состава. Поверхность скольжения и трещины отрыва, разделяющие оползневой массив на отдельные блоки, выделены по данным томографии в комплексе с материалами инженерно-геологических исследований на основании признаков, указывающих на

Уз. м/с

,' — зона формирования трещин отрыва и поверхности скольжения

Рисунок 2. Компьютерное электро- и сейсмотомографическое моделирование оползня, (а) - геоэлектрическая модель; (б) модель; (в) — электротомографический разрез; (г) — сейсмотомографический разрез поперечных волн а)

— сейсмическая

Рисунок 3. Фрагменты электротомографического разреза (а) и скоростного сейсмотомографического разреза поперечных волн (б) оползневых склонов

Нэбс. м

f-Ьбс, м

О 10 20 30 40 50 Пикеты профиля, м Нэбс, м

Кэбе, м

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Условные обозначения

0 10 20 30 40 50 60 Пикеты профиля, м

- номер скважины

у ~ - предполагаемые трещины отрыва

- границы слоев по данным СТ

- скорость поперечных волн, м/с

- области пониженных значений V. указывающие I------ на уменьшение величины удельного сцепления

Рисунок 5. Скоростной сейсмотомографический (а) и сейсмогеоло! ический (б) разрезы поперечных волн V, оползневого склона

О 10 20 30 40 50 60 Пикеты профиля, м

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Условные обозначения

- номер скважины

- границы слоев по данным СТ

- скорость продольны* волн, м/с

- область пониженных значений V, связанная с напряженным состоянием массива

Рисунок 6. Скоростной сейсмотомографический (а) и сейсмогеологический (б) разрезы продольных волн Vp оползневого склона

Нэбс, м

а) 116

ios; юо 92 84 76 68 60

0 10 20 30 40 50 60

б) Пикеты профиля, м Нэбс, м

116 108

Избе, м [ll6 108 100 92 84 76 68 60

Нэбс, м 116

Ч, м/с

11800 1600 1400 1200

II000 800 600 400 200

Рисунок 7. Сейсмотомографический (а) и сейсмогеологический (б) разрезы декремента поглощения поперечных волн <2,, оползневого склона

Нэбс. М

Нэбс. м

0.45

j

0.J5

0 10 20 30 40 50 Пикеты профиля, м Нобо, м 116 108 100 92

Нобс, м 116

- номер скважины

- границы по данным СТ (по величине Ч/\6

- отношение скоростей поперечны* и продольных волн Ч/Ч

I . .'.! - область повышенных значений Ч/Ч,

связанная с напряженным состоянием массива

Рисунок 8. Сейсмотомографический (а) и сейсмогеологический (б) разрезы отношения скоростей поперечных и продольных волн VJVI, оползневого склона

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Пикеты профиля, м Условные обозначения

- номер скважины

- границы слоев по данным СТ { по величине О)

- значения декремента поглощения поперечных волн Об

- локальная область повышенных значений С18, обусловленная напряженным состоянием оползневого массива

60Г — ------- .

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Пикеты профиля, м Условные обозначения

Н^бс. м 116: 108 100 92 84 76 68 60

Нэбс. М 116 108 100 92 84 76 68

б) Нэбс 116

О 10 20 30 40 50 60 Пикеты профиля, м

. Нэбс, м 116

уменьшение значений физико-механических свойств пород. Ниже поверхности скольжения по полученному распределению величин VJVP и Qs выделена область, охарактеризованная A.A. Огильви, как «резервная зона», грунты которой обладают аномальными сейсмическими свойствами и потенциально могут быть вовлечены в последующие смещения.

На основании анализа результатов комплексных электро- и сейсмотомографических исследований и обобщения корреляционных связей влажности и прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов с геоэлектрическими и сейсмическими свойствами, построена обобщенная физико-геологическая модель оползня, сформированного массивом глинистых грунтов (Рисунок 11).

Набс.м

оползневой уступ и трещины отрыва приповерхностный слой

зона аэрации

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Пикеты профиля, м

Механически разрушенные породы, слагающие основную массу оползня с оползневыми трещинами

характеризуются пониженными значениями Уэ.м/с; Ур,м/с; Об а также повышенными значениями УвЛ/р

Породы приповерхностной части оползня

вследствие процессов выветривания характеризуются более низкими значениями Уз,м/с; Ур,м/с; Ов, а также более высокими значениями УвЛ/р и широким диапазоном УЭС

Зоны расположения оползневых трещин и поверхности скольжения характеризуются пониженными значениями Ув и УЭС. обусловленными уменьшением 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

Рисунок 11. Обобщенная комплексная Ю ФГМ оползня асеквентного типа Построенная ФГМ отражает основные элементы оползня, выделяемые на основе анализа и обобщения материалов электрической и сейсмической томографии. ФГМ позволяет на качественном уровне оценить изменения прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых пород и может быть предложена в качестве базовой модели,

для интерпретации данных геофизических исследований оползневых склонов.

3. 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.

На основе статической ФГМ синтезирована динамическая геоэлектрическая модель. В пределах склона рассмотрено формирование оползня, сложенного массивом суглинка (Рисунок 12). Динамическая геоэлектрическая модель оползневого склона характеризует пространственно-временные изменения значений УЭС, являющиеся следствием инфильтрационных гидродинамических процессов, протекающих в оползневых трещинах и поверхности скольжения оползня. Модель включает шесть геоэлектрических разрезов, соответствующих моментам времени от /у до

Моделирование проведено с помощью компьютерной программы 2опсШез20. Решение прямой задачи выполнено для дипольно-осевой электроразведочной установки. Выполненные результаты компьютерного моделирования и экспериментальных работ показали, что электроразведочная установка этого типа наиболее чувствительна к изменениям состояния оползневого склона в субвертикальных зонах оползневых трещин.

Результаты выполненного моделирования показали, что в процессе развития оползня, благодаря увеличению влажности глинистых пород в зонах трещин отрыва и поверхности скольжения, происходит понижение УЭС пропорционально динамике развития оползневого процесса (Рисунок 13).

На синтезированных электротомографических разрезах проявились геоэлектрические эффекты, обусловленные, прежде всего, рельефом склона и в меньшей степени элементами оползня. Наибольшие изменения приурочены к локальным низкоомным субвертикальным зонам соответствующим трещинам отрыва. По мере увеличения влажности пород в зоне трещин отрыва и проникновения влаги по ним вглубь оползневого тела, эти области проявляются на электротомографических разрезах более отчетливо. В связи с малой мощностью зоны поверхности скольжения, выделить ее на электротомографических разрезах практически не представляется возможным.

Поскольку на электротомографических разрезах пространственно-временные изменения, связанные с гидродинамическими процессами, прослеживаются не достаточно отчетливо, построены разностные разрезы, которые характеризуют изменения распределения УЭС по отношению к начальному состоянию оползневого склона, определяемого временем // (Рисунок 14). Для оценки изменений, произошедших к моменту времени выбрана величина отношения сопротивлений: 8р,=р,/р1, (1) где р,- значение УЭС в момент времени /,•

На ранней стадии развития (/2) фильтрационных процессов, в формирующихся трещинах отрыва, наблюдается незначительное уменьшение величины 6р2 в верхней части разреза. Это объясняется проникновением влаги в трещины отрыва оползня в самой верхней части разреза. На следующих стадиях развития оползневого процесса отмечается формирование локальных субвертикальных областей пониженных значений величины др-,. По мере развития оползневого процесса значения др-, последовательно уменьшаются вплоть до наименьших значений дре= 0,72. В этот период времени принято, что влага полностью распределилась в зонах трещин отрыва и поверхности скольжения оползня. Значения влажности суглинков в этих зонах достигли порядка 30%, что примерно соответствует значениям на границе раската этих глинистых пород. На разностном разрезе дрв отчетливо выделяются локальные субвертикальные области пониженных значений, приуроченные к зонам трещин отрыва. На этой стадии зона пониженных значений дрв охватывает контур оползневого тела, ограниченный поверхностью скольжения. Таким образом, на основании анализа разностных разрезов можно проследить динамику процесса оползнеобразования. Кроме того эти разрезы отражают даже незначительное изменение влажности глинистых пород в зонах формирования трещин отрыва и поверхности скольжения оползня.

Результаты моделирования экспериментально подтверждены результатами электротомографического мониторинга оползневого склона левого берега р. Тосны, в районе г. Никольское, Ленинградской области.

На оползневых склонах распространены нижнекембрийские синие глины перекрытые маломощными четвертичными суглинками (порядка 5 м). Поскольку, обследованный интервал оползневого склона сложен глинистыми породами, в его пределах развиваются оползни асеквентного или консеквентного типов.

Электроразведочные работы проводились в два этапа:

-в июле 2013г., во время минимального выпадения атмосферных осадков;

-в марте 2014г., во время таяния снегов и максимального увлажнения глинистых фунтов.

Результаты мониторинга оползневого склона представлены в виде электротомографических разрезов, полученных в июле 2013 г. (Рисунок 15а) и в марте 2014 г. (Рисунок 156), а также разностного электротомографического разреза отношений др2 =рг / Р1 удельных электрических сопротивлений р2, полученных в марте 2014г., к значениям Ри полученным в июле 2013г. (Рисунок 15в).

В связи со слабой дифференциацией глинистых пород, выделить основные элементы оползня на первых двух разрезах практически не представляется возможным. На разностном электротомографическом разрезе, отмечается протяженная область, берущая свое начало у оползневого уступа, наиболее подверженная изменению удельного электрического сопротивления глинистых пород. В приповерхностной части разреза наблюдаются две локальные субвертикальные области уменьшения УЭС, эти области контролируют локальное уменьшение влажности и могут соответствовать трещинам отрыва.

Таким образом, анализ динамической электротомографической модели оползневого склона позволяет проследить формирование трещин отрыва и поверхности скольжения оползня на основе изменений геоэлектрических параметров, обусловленных развитием гидродинамических процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Оползневые склоны, сформированные массивами глинистых пород, являются наиболее сложными для геофизического изучения, так как дифференциация глинистых пород по физическим свойствам в пределах оползней и в ненарушенных геологических разрезах недостаточно четко выражена. Учитывая неоднородное строение оползневого массива, обусловленное процессами дезинтеграции и гидратации глинистых пород, для изучения оползневых склонов необходимо привлекать томографические технологии инженерной геофизики.

2. На основе характера пространственного распределения влажности и прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых грунтов в оползневом склоне, а также анализа имеющихся

корреляционных зависимостей указанных свойств с геоэлектрическими и сейсмическими характеристиками, разработана базовая петрофизическая модель оползня, сложенного массивом глинистых грунтов. Полученная ПФМ является основой для формирования интерпретационной физико-геологической модели оползня.

3. Выполненный на основе электро- сейсмотомографических исследований анализ пространственных изменений геоэлектрических и сейсмических свойств позволяет локализовать области, характеризующиеся повышенной влажностью и пониженными значениями прочностных характеристик сопротивления сдвигу глинистых пород, слагающих оползневой склон. Как показали ранее выполненные исследования, указанные области приурочены к зонам формирования основных элементов оползня, состояние пород в которых напрямую определяет устойчивость склона.

4. Разработанная по данным электрической и сейсмической томографии комплексная 2Э ФГМ позволяет повысить эффективность применения геофизических методов и обеспечивает детальное изучение оползневых склонов с целью уточнения и дополнения данных инженерно-геологических изысканий. Комплексную ФГМ оползневого склона рекомендуется использовать для интерпретации геофизических данных на стадии выполнения проектно-изыскательских работ для выбора интервалов склона, в пределах которых снижаются риски, связанные со строительством и последующей эксплуатацией газопроводов и других инженерных сооружений.

5. Разработанная динамическая модель обосновывает возможность оценки развития гидродинамических процессов, протекающих в зонах оползневых трещин и поверхности скольжения оползня, на основе электротомографических наблюдений, а предложенная процедура обработки данных электротомографических наблюдений, проводимых на разных этапах формирования оползня, обеспечивает определение основных элементов оползня в условиях слабо выраженной дифференциации электрических свойств глинистых пород.

Наиболее значимые публикации по теме диссертации:

1. Глазунов, В.В. Выявление структурных элементов оползня по данным комплексной интерпретации результатов сейсмо- и электротомографических исследований / В.В. Глазунов, С.Б. Бурлуцкий // Инженерная геология. - 2014. - №3. - С. 20-29.

2. Глазунов, В.В. Обоснование применения метода электротомографии для мониторинга развития гидродинамических процессов в теле оползня / В.В. Глазунов, С.Б. Бурлуцкий // Инженерные изыскания. - 2014. - №3. - С. 68-74.

3. Глазунов, В.В. Оценка устойчивости оползневых склонов по трассе проектируемого газопровода «Южный поток» по данным томографических технологий инженерной геофизики / В.В. Глазунов, С.Б. Бурлуцкий // Инженерные изыскания. - 2014. - №3. - С. 28-34.

а)

Условные обозначения

- номер скважины

- предполагаемые трещины отрыва

- границы слоев по данным ЭТ

- значения УЭС пород, Ом м

- области пониженных значений УЭС, обусловленные повышением влажности глинистых пород £ - пересечения геофизических профилей

Рисунок 9. Электротомографический (а) и геоэлектрический (б) разрезы оползневого склона

Условные обозначения Суглинок желто-бурый тяжелый песчанистый твердый

Суглинок светло-серый тяжелый песчанистый твердый с прослоями слабосцеменгированного песчаника до 3-5 мм

Супесь светло-серая твердая плотная со стяжениями карбонатов и ракушки до 10%

Суглинок желто-бурый тяжелый песчанистый твердый

Глина от темно-бурой до светло-серой легкая пылеватая твердая с остатками растительности

Глина голубовато-серая легкая пылеватая полутвердая плотная

Песчаник темно-желтый малопрочный слабоожелезненный выветрелый слабосцементированный

Номер скважины

0 Номер инженерно-геологического элемента

Рисунок 10. Комплексный интерпретационный геолого-геофизический разрез

- механически разрушенные породы, слагающие оползневой массив характеризуется пониженными значениями Уэ.м/с, \/р,м/с. Об

- область пониженных значений скорости \ф,м/с и \fsNp

- область наибольших значений декремента поглощения Оэ

- "резервная" зона выделенная по данным СТ. характеризующаяся значительными изменениями сейсмических свойств глинистых пород но располагающаяся них® предполагаемой поверхности скольжения

- предполагаемые зоны поверхности скольжения и оползневые трещины обозначены пунктиром)

зоны характеризуются пониженными значениями УЭС, Ом.м и \/б, м/с

• - развитее инфил ьгрлцнонных гидродинамических процессов в теле оползни

Рисунок 12. Геоэлектрическая динамическая модель оползня

I - зона, в пределах которой формируются трещины отрыва и поверхность скольжения Рисунок 13. Электротомографические разрезы динамической модели оползня в моменты времени от до 1ц

Арь усл. еЛ.

, - зона, в пределах которой формируются треиошы отрыва и поверхность скольжения Рисунок 14. Разностные электротомографические разрезы динамической модели оползня в моменты времени от I, до

Июль 2013

р, Ом м

Март 2014

др. ус.I го.

Рисунок 15.

Электротомофафические разрезы оползневого склона левого берега р.Тосны, полученные в июле 2013г. (а); марте 2014г. (б) и Разностный электротомографический разрез отношения др2 =р2/р1 по данным наблюдений, проведенных в марте 2014г. и в июле 201 Зг (в)

х. м

I - ШИЛ форчмромння 1рс111Н)1 ОфЫНЛ Н ПОКрХНОСП! СКОЛЬЖСНКЯ

а

N

N

3

N

РИЦ Горного университета. 23.07.2015. 3.658. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

2015674603

2015674603