Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Организация мониторинга и инженерно-геологический прогноз функционирования локальной ПТС ТЭС (на примере Рязанской ОПЭС)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Организация мониторинга и инженерно-геологический прогноз функционирования локальной ПТС ТЭС (на примере Рязанской ОПЭС)"

Г6 од

- 5 ДПР 1933

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ МОСКОВСКИЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КУВШИННИКОВ

Виктор Михайлович

ОРГАНИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ПТС тэс (на примере Рязанской ОПЭС)

Специальность 04.00.07. - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Московского геологоразведочного института

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук

ЛА.Ярг Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор ГАГолодковская

кандидат геолого-минералогических наук НАМиронов

Ведущее предприятие - ГСПИ (Государственный союзный проектный институт)

Защита состоится 1993 г. в & час

в ауд. 5-49 на заседании специализированного совета К.063.55.04. в Московском геологоразведочном институте по адресу : 111485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского геологоразведочного института.

Автореферат разослан "¿23," 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор ВМКононов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

По данным Госкомитета по гидрометеорологии и контролю природной среды, тепловые электростанции, вырабатывающие 84% электроэнергии, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Так, общий выброс двуокиси серы составляет 20 млн.т в год и более, а ежегодный выход золошлаковых материалов в ближайшее время превысит 100 млн.т. Кроме того, в пределах промплощадок отмечаются тепловые загрязнения, загрязнение нефтепродуктами, сточными водами, агрессивными технологическими растворами и т.д. Создаваемая активная техногенная нагрузка способствует развитию и активизации неблагоприятных инженерно-геологических процессов. На одном из первых мест стоит карстово-суффозионный процесс, в результате развития которого происходит снижение несущей способности пород основания, образование в них полостей и трещин, разрушение элементов конструкций сооружений и коммуникаций.

Для оптимального управления сложйыми природно-техническими системами (ПТС) ТЭС необходима текущая информация о внешних и внутренних взаимодействиях в системе, о величинах переменных, которые в совокупности характеризуют состояние ПТС и ее компонентов. Подобную новую информацию можно получить только при условии создания мониторинга. В связи с этим разработка методики организации мониторинга ПТС ТЭС представляется весьма актуальной.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТ.

Цель настоящей работы заключается в разработке методики организации мониторинга локальных природно-технических систем тепловых электростанций (на примере Рязанской ОПЭС). В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являлись:

- изучение компонентов инженерно-геологических условий района размещения локальной ПТС - Рязанской ОПЭС;

- исследование изменений геологической среды, обусловленных воздействием Рязанской ОПЭС;

- выявление и обоснование структуры взаимодействий, возникающих в ПТС;

- разработка частных локальных инженерно-геологических и гидрогеологических прогнозов;

- обоснование применимости атмогеохимического метода исследований и анализа структуры газовых полей для прогнозирования участков активизации техногенного карстового процесса в карбонатных породах;

- изучение механизма и прогноз процессов выветривания и кар-стообразования под влиянием региональных факторов (на базе лабораторного моделирования);

- изучение механизма и прогноз изменения расстворимости и физикомеханических свойств карбонатных пород под влиянием техногенных факторов (на базе лабораторного моделирования);

- разработка последовательности операций для общего (интегрального) прогнозирования состояния системы, базирующегося на частных пространственных и временных прогнозах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

- обоснована структура и выявлен набор техногенных взаимодействий, обусловливающих функционирование природно-технической системы Рязанской ОПЭС;

- разработан количественный прогноз процессов выветривания и карстообразования карбонатных пород , связывающий характеристики процессов с различными факторами;

- обоснованы объем, пространственная структура, режим наблюдений и набор независимых переменных мониторинга локальной ПТС ТЭС;

- установлен механизм процесса выветривания и карстообразования карбонатных пород под влиянием техногенных факторов;

- на базе лабораторного моделирования разработан прогноз изменения физико-механических свойств и растворимости карбонатных пород и их элювия;

- разработана методика организации литомониторинга ПТС ТЭС, реализованная на Рязанской ОПЭС.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Методика организации мониторинга ПТС ТЭС , область взаимодействия которых представлена карбонатными породами.

2. Механизм и прогноз процесса карстообразования под влиянием техногенных факторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в том, что на основе разработанной методики обеспечивается возможность получения информации о текущих состояниях многочисленных ТЭС в пределах России и составления прогнозов для принятия научно-обоснованных управляющих решений, обеспечивающих оптимальное их функционирование. Результаты исследований реализованы на Рязанской ОПЭС, Рязанской ГРЭС, Калининской АЭС.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения диссертации докладывались на: -ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГРИ (1986-1992гг.); - заседании Московского общества испытателей природы (1987 г.); - 1 Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988 г.); - Всесоюзном совещании по газовым методам (Баку,1990 г.); - международном симпозиуме "Инженерная геология карста" (Пермь,1992 г.) и отражены в более 10 научно-производственных отчетах.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Фактическим материалом для обоснования научных положений и выводов послужили

собственные экспериментальные и полевые исследования автора в течение 1984-1992 гг. Кроме того, в процессе работы над диссертацией использованы фондовые материалы Московского отделения ТЭП, МГРИ, многочисленные литературные источники , публикации по вопросам мониторинга, грунтоведения, экзогенных геологических процессов , инженерной геологии, гидрогеологии, геохимии, литологии т.д.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения,

изложенных на_страницах машинописного текста, содержит ¿Урисунков,

таблиц, список литературы из/^ наименований.

Автор глубоко благодарен доктору геолого-минералогических наук Л.Д.Ярг за помощь, научное и методическое руководство данной работой. За советы и помощь в работе автор выражает искреннюю благодарность профессорам ГКБондарику, ИКГавич, ВВ.Дмитриеву, ЕМПашкину, ВМШвецу, доцентам ДИБережнову, АГКупцову, В.Л.Невечере, ВВ.Пендину, всем сотрудникам кафедры инженерной геологии МГРИ. За поддержку и финансирование научных исследований автор благодарен директору Рязанской ОПЭС Волкову В.И. и начальнику ОКСа Казанцеву В.И. Особую признательность автор выражает своим друзьям ВВЛономареву, А.Н.Хацкевичу, ЕС-Замковскому, С.В.Сусловой, ЕВ.Андреевой, О.Б.Царевой за поддержку, советы, помощь в подготовке работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние вопроса о мониторинге природно-технических систем (ПТС)

Кратко излагается состояние вопроса . Наиболее приемлемой методологической основой подхода к рассмотрению любой проблемы в области охраны окружающей среды являются системные исследования. Большой вклад в решение проблемы внесен ПК.Бондариком , ИК.Гавич, Г.А.Голодковской, ВХ.Епишиным, А.А.Каганом, Е.В.Пиннекером, МВ.Рацем, Е-М.Сергеевым, В.Т.Трофимовым и др.

В главе рассмотрены этапы формирования понятия Мониторинг", приведены классификации подсистем мониторинга. Отмечается , что разработка теории литомониторинга началась позже разработок мониторинга других оболочек Земли. Значительную роль в подготовке идейного и методического обоснования литомониторинга сыграли работы ГКБондарика, И.П.Герасимова, ГАГолодковской, В.В.Дмитриева, ВКЕпишина, Ю.Ф.Захарова, Г.С.Золотарева, Н.В.Коломенского, И.С.Комарова, Ф.В.Котлова, Г.Л.Коффа, В.Д.Ломтадзе, ЛАМолокова, ВЛНевечери, И.А.Парабучева, ЕМПашкина, В.В.Пендина, М.ВРаца, В.Т.Трофимова, П.Ф.Швецова, А.И.Шеко, ЛАЯрг и др.

Рассмотрены различные элементы концепции природно-технических систем, проблемы их управления и информационного обеспечения. Вслед за ПК.Бондариком и Л.А.Ярг мониторинг понимается как "система информационного обеспечения процесса управления ПТС, позволяющая оптимизировать ее функционирование в заданном аспекте: экологическом, экономическом, техническом, нравственном". Литомониторинг включает подсистему режима (режимных наблюдений) и подсистему прогнозов, целевое назначение которой заключается в накоплении, переработке и выдаче информации о текущем и будурщем остоянии ПТС.

Отмечается, что реализация мониторинга находится на начальном пути развития. При эксплуатации ТЭС как режимные наблюдения, так и прогноз развития неблагоприятных процессов на их основе практически отсутствуют. По причине отсутствия информации на ТЭС происходят различного рода аварии.

Анализ мирового и отечественного опыта разработки и реализации мониторинга ПТС ТЭС, показывает острую необходимость организации мониторинга (как частности - литомониторинга) ТЭС. Среди проблем литомониторинга выделяется проблема комплексного прогноза

функционирования ПТС, базирующегося на режимной информации.

Глава 2. Компоненты геологических условий района размещения ПТС - "Рязанская ОПЭС"

В главе обсуждаются аспекты геологических условий ПТС, влияющие на пространственную структуру, интенсивность и режим карстово-суффозионного процесса, являющегося главным среди техногенных геологических процессов, определяющих функционирование Рязанской ОПЭС.

Коротко рассмотрены особенности тектонического строения территории, неотектоника, карстовые процессы и явления на территории Рязанской области, которые изучались КВ.Родионовым, И.В.Поповым, Н.АГвоздецким, А.Г.Чикишевым и др.

По насыщенности линеаментами и кольцевыми структурами, характеру их взаимоотношений можно судить об интенсивности современных неотектонических движений. Описываемая территория испытывает современное поднятие . Развитие карстового и оползневого процессов подтверждают схему неотектонического районирования.

В ходе геологической эволюции карстующиеся породы "территории неоднократно оказывались в зоне аэрации и в них с разной интенсивностью протекали карстовые процессы. В пределах района исследований имеются поверхностные (воронки, котловины, карстовые поля, поноры , карстовые источники), подземные и погребенные карстовые формы (поры, каверны, полости).

Территория Рязанской ГРЭС и ОПЭС расположена на границе района с развитым карбонатным карстом. Наиболее опасными территориями по возможному проявлению новых карстовых форм являются существующие карстовые поля и участки, непосредственно к ним примыкающие. Основные карстовые формы приурочены к долине р.Прони. Пораженность территории карстовыми формами составляет 0.1-1.0 карст.проявл./кв.км.

Аномально высокие значения скорости растворения отмечены для участка Рязанской ОПЭС и ГРЭС, расположенных в бассейне реки Прони, на ее правобережье.

Глава 3. Природно-техническая система Рязанской ОПЭС

Любые искусственные объекты, в том числе сооружения, всегда взаимодействуют с окружающей их областью природной среды. Поэтому требуется совместное рассмотрение взаимодействующих тел (систем). Такие системы, по определению ПК.Бондарика (1981), называются природно-техническими системами (ПТС). Применительно к решению задач инженерной геологии имеет смысл рассматривать только подсистему, состоящую из компонентов: сооружение (точнее, его часть, взаимодействующая с литосферой) и сфера взаимодействия геологической среды с сооружением (сфера взаимодействия).

Рязанская Опытно-производственная электростанция (ОПЭС) расположена в Рязанской области в гЯовомичуринске на берегу Пронского водохранилища. Комплекс тепловой электростанции на 200000 кВт представляет собой единое здание каркасного типа со столбчатыми фундаментами под несущие колонны, опирающиеся на известняки окского надгоризонта. Нагрузки, передаваемые фундаментами на основание, составляют 0.4 - 0.5 МПа. Существует и продолжает создаваться несколько систем канализации: напорная, безнапорная, ливнесточная, фекальная и т.д.

Исходя из незначительных размеров промплощадки (500*450м.) и учитывая, что элементарные ПТС граничат друг с другом, пересекаются и связаны между собой коммуникациями так, что на функционирование некоторой элементарной ПТС оказывают влияние соседние, автор относит систему Рязанской ОПЭС к категории локальной ПТС.

Рассмотрены источники, виды и масштабы загрязнений на территории станции. В пределах промплощадки отмечено : газовое загрязнение атмосферы; загрязнения, создаваемые складами топлива и твердыми отходами производства. Использование станцией подмосковных бурых углей создает предпосылки для образования кислых вод с рН 4 (Гольдина Т.М., Курникова В.П., Гартман Н.М.,1985); загрязнения жидкими компонентами - растворами органических, неорганических кислот, нефтепродуктами; тепловое загрязнение грунтов и подземных вод (до 53 град.). Составлена схема основных источников загрязнений на территории станции.

Границу сферы взаимодействия (СВ) устанавливают по признаку распространения техногенного процесса, учитываемого при функционировании ПТС. Она представляет собой поверхность, внутри которой сохраняется непрерывным признак - карстово-суффозионный процесс, и за пределами которой он отсутствует. Оконтуривание подсистемы ОВЛ (области взаимодействия литосферы с сооружениями) тем самым сводится к установлению границ распространения карстово-суффозионного процесса по площади и глубине. Грунтовые воды являются основной причиной процесса, поэтому гидрогеологические условия следует рассматривать , выходя за пределы промплощадки. В связи с этим границы ОВЛ не совпадают с контурами промплощадки и захватывают прилегающую территорию Рязанской ГРЭС. Естественной нижней границей распространения процесса являются глинистые слои тульского горизонта, подстилающие массив закарстованных карбонатных пород. Таким образом, границей ОВЛ является кровля Тульского горизонта.

В геологическом строении территории принимают участие техногенные, аллювиальные отложения верхнечетвертичного возраста , залегающие на выветрелой поверхности пород нижнего карбона.

Современные техногенные отложения, мощностью до нескольких метров, залегают непосредственно на дневной поверхности и сложены суглинком, песком, гравием карбонатных и магматических пород.

Верхнечетвертичные аллювиальные отложения первой надпойменной террасы, мощностью 2.2 - 2.7 м, залегают непосредственно под техногенным слоем на эродированной поверхности каменноугольных отложений. Они представлены сверху вниз: суглинками, супесями и песками.

Известняки окского надгоризонта нижнего карбона трещиноватые, в верхней части сильно выветрелые (до элювия), залегают на песчано-глинистой толще тульского горизонта и имеют сильно эродированную кровлю. В толще надгоризонта прослеживается вертикальная зональность сверху вниз: глинистый карбонатный грунт - песчаный карбонатный грунт - щебнистый карбонатный грунт - известняк трещиноватый. Мощность пород окского надгоризонта 6.2-15.8 м.

Тульский горизонт нижнего карбона, мощностью более 35 м, представлен песчано-глинистой толщей с прослоями известняка.

В гидрогеологическом строении территории отмечены первый от поверхности нерасчлененный четвертично-окский и тульский водоносные горизонты. Водовмещающими породами первого водоносного горизонта являются четвертичные аллювиальные отложения (пески и суглинки), элювий и карбонатные породы окского надгоризонта нижнего карбона. Водоупором служат черные глины тульского горизонта.

Предпосылками развития карста явились: горизонтальное залегание толщи карбонатных пород, их трещиноватость и близость к древней долине р.Прони -области разгрузки подземных вод. Выявлены разнообразные формы подземного карста размером от миллиметра до первых десятков метров. К ним относятся поры, каверны, полости, карстовые трещины, полые и заполненные принесенным материалом. Подавляющее большинство полостей залегает на небольшой глубине, попадая в сферу взаимодействия. Опасными с точки зрения возникновения провалов являются как заполненные полости, так и незаполненные. Анализ палеорельфа показал наличие в кровле известняков поверхностей растворения, оседания кровли, карстовых воронок. Процент скважин, вскрывших карстовые полости высотой более 5 см, составляет 9.1%, а разрушенных зон - 15.3%. Закарстованные известняки окского надгоризонта перекрыты песками и глинисто-песчаными карбонатными образованиями площадной коры выветривания, которые склонны к суффозии при соответствующем градиенте напоров. Присутствие в карстовых полостях песчаного заполнителя кварц-карбонатного состава свидетельствует о суффозии аллювиальных песков в четвертичное время.

При организации системы литомониторинга необходимо учитывать защищенность подземных вод и карбонатных пород от загрязнения, под которой понимается перекрытость водоносного горизонта слабопроницаемыми отложениями и гидродинамические условия, препятствующие проникновению загрязняющих веществ с повехности земли в подземные воды (В.М.Гольдберг,С.Газда,1984) . Анализ геологических и гидрогеологических

данных показал, что территория Рязанской ГРЭС и ОПЭС относится к группе незащищенных от техногенных загрязнений.

Глава 4. Исследование режима подземных вод и его прогноз

Подземные воды играют важнейшую роль в активизации и развитии инженерно-геологических процессов на застроенных и застраиваемых территориях. К таким процессам относятся подтопление, карстово-суффозионный процесс и загрязнение грунтовых вод. Перечисленные процессы на закарстованных территориях парагенетически связаны между собой. Под действием изменения уровня , загрязнения грунтовых вод сульфатами, хлоридами, нефтепродуктами и другими компонентами произошло образование нескольких карстово-суффозионных воронок размером до 1.5 м.

Задачами гидрогеологических исследований являлись:

- организация стационарных наблюдений, сбор и систематизация данных режимных наблюдений за уровнем, температурой, химическим составом подземных вод;

- выяснение условий и причин развития карста и суффозии;

- выявление источников и причин нарушения естественной гидрогеологической обстановки (утечек из водонесущих коммуникаций, осушения котлованов, сброс промстоков и т.д.);

- организация стационарных наблюдений, сбор и систематизация данных режимных наблюдений за уровнем, температурой, химическим составом подземных вод;

- оценка и прогноз изменения гидрогеологических условий под влиянием хозяйственной деятельности и их роли в активизации и развитии карста в пределах промплощадки.

Для изучения режима подземных вод и реализации прогноза изменения гидрогеологических условий в рамках мониторинга Рязанской ГРЭС-ОПЭС была оборудована режимная сеть. В настоящее время она включает 19 пьезометров на ОПЭС, 13 пьезометров на ГРЭС и гидропост на сбросном канале ОПЭС и ГРЭС. Пьезометры установлены в непосредственной близости от сооружений химводоочистки (ХВО), машинного отделения, канализационной насосной станции (КНС), административно-бытового корпуса (АБК), а так же в местах возможных утечек и загрязнения грунтовых вод (около угольного склада, дымовой трубы, различных наземных и подземных коммуникаций, территории бывших складов горючесмазочных материалов и механических мастерских). Глубина пьезометров изменяется от 4.5 до 15 м, фильтры установлены на контакте известняков, элювия и перекрывающих их аллювиальных или насыпных песков. Учитывая агрессивность подземных вод, пьезометры изготовлены из инертных материалов полиэтиленовых цельнонатянутых труб.

При рассмотрении структуры и свойств компонентов гидрогеологических условий ведущим являлся экологогидродинамический анализ

(ИКГавич,1982),базирующийся на серии гидродинамических карт . Он позволил выделить на площадке три локальных гидродинамических потока.

На территории станции к настоящему времени сформировался смешанный режим грунтовых вод, который отражает соместное влияние природных и искусственных факторов. Процедура временного прогноза УГВ включала: построение временного ряда УГВ; сглаживание временного ряда и установление тренда; снятие тренда; выделение периодических составляющих. Регрессионный анализ позволил установить тренд - повышение УГВ со скоростью 0.036 м/год. Разложение функции УГВ на гармоничные компоненты выявило в их спектре гармоники с периодами 8.17; 4.08; 2.33; 1.63; 1.02 года. Во всех случаях в спектре наиболее четко выражены 4-летние циклы. Показано, что при неучете периодической составляющей прогнозные величины подтопления могут быть завышены примерно в 2.5 раза.

Единственно надежным способом получения инфомации об изменении уровня грунтовых вод являются режимные наблюдения. При мощной интенсивности техногенных нагрузок такие наблюденя приобретают особую ценность, поскольку предсказать места и объекты утечек, сливов и других воздействий практически не представляется возможным.

При размещении пунктов получения информации следует руководствоваться конструктивными особенностями объекта и особенносями потока подземных вод так , чтобы были охвачены все основные здания и сооружения (вдоль контуров) и охарактеризованы все локальные гидродинамические потоки (в виде створов перпендикулярных потоку) в пределах площадки.

Температурный режим на территории ОПЭС обусловлен преимущественно климатическими факторами. На территории ГРЭС естественный режим температуры существенно нарушен (температура в пьезометре 503 достигает 53 град.).

Грунтовые воды среднеагрессивны по отношению к бетону нормальной плотности (по бикарбонатной щелочности) и сильно агрессивны по отношению к железобетону (сульфатная агрессия), Определены виды загрязнения нефтепродуктами; это - дизельное топливо с примесью керосина, мазут, отработанное трансформированное масло. Все перечисленные нефтепродукты слабо агрессивны по отношению к бетонным конструкциям. Протекающие при этом процессы приводят к снижению прочности бетонных конструкций фундаментов и карбонатных пород основания.

Глава 5. Обнаружение и прогноз участков распространения кар стового процесса с использованием атмогеохимического метода исследований

Анализ техногенных причин активизации и развития карста позволил установить, что основными из них на территории Рязанской ОПЭС и ГРЭС являются утечки и сбросы агрессивных растворов кислот и нефтепродуктов.

Агрессивными по отношению к бетонам фундаментов и известнякам являются как сами нефтепродукты, так и продукты их деструкции. Их влияние сказывается на экологии системы и функционировании инженерных сооружений и коммуникаций. Загрязнение нефтепродуктами и агрессивными технологическими растворами вызывает существенные изменения газового состава подземных вод и грунтов зоны аэрации.

Вопросам загрязнения нефтепродуктами (НП) грунтов и подземных вод посвящены работы ВМГольдберга, СГазды, ФМБочевера, А.Е.Орадовской, Н.Н.Лапшина, ФИТютюновой, НИЛлотникова, ВМЛукьянчикова и других. Разрушение нефтепродуктов в подземных водах происходит путем химического окисленияя и биогенного разложения, При этом генерируются свободные: метан, водород, углекислый газ, сероводород, изменяется рН среды, снижается содержание свободного кислорода. Аномальное содержание углеводородных газов в подпочвенном воздухе сохраняется длительное время и идентифицирует нефтяное загрязнение грунтовых вод (ВМЛукьянчиков). Определение масштабов аномалии дает возможность судить о площади нефтяного загрязнения грунтов и грунтовых вод.

Для площадного прогноза участков, загрязненных НП и растворами кислот, и, следовательно, участков активизации карстово-суффозионного процесса автором совместно с Е.С.Замковским, В.В.Пономаревым и А.Н.Хацкевичем предложен экспрессный метод их выявления и оконтуривания по аномально высоким содержаниям метана и углекислого газа в подпочвенном воздухе.

Основными задачами газовой съемки, решаемыми в рамках литомониторинга на промплощадках Рязанской ОПЭС и ГРЭС, являлись:

- оконтуривание очагов распространения загрязнений НП и технологическими растворами;

- контроль пространственно-временого перемещения загрязненний.

В качестве анализатора содержания в подпочвенном воздухе углекислого газа и метана использован шахтный интерферометр ШИ-11. Выбор участков исследования проводился путем контрольного осмотра территории; экспертного опроса специалистов ОПЭС и ГРЭС; анализа возможных утечек нефтепродуктов и агрессивных растворов на основе плана размещения наземных и подземных сетей; режимных наблюдений в скважинах (фиксирующих наличие нефтепродуктов и изменение химического состава подземных вод). На основании анализа материалов и данных рекогносцировочной газовой съемки определено 4 участка детальных газосъемочных работ. По видам загрязнения и природе формирования газового облака выделены участки двух типов: 1) загрязненные нефтепродуктами (мазутом, трансформаторным маслом, бензином, керосином, дизельным топливом); 2) - агресивными технологическими водами, сбрасываемыми после промывки котлов турбоагрегатов. Результаты атмогеохимической съемки представлены в виде карт изоконцентраций суммы газов метана и углекислого газа. Для их построения использован Крайгингметод, который позволяет

точнее других методов выявить структуру газовых полей. Детальные изыскания (масштаб 1:250) позволили выявить и оконтурить участки аномально высоких концентраций угекислого газа и метана, отображающих пространственное распространение нефтяных загрязнений. Анализ формы аномальных зон позволил выделить три типа источников загрязнения: пощадной; линейный; точечный. Вытянутая форма аномалий (по потоку подземных вод) свидетельствует о миграции нефтепродуктов с подземными водами, разгружающимися в Пронское водохранилище.

Повторная газовая съемка и статистическая обработка результатов дали возможность выявить динамику распространения нефтяных загрязнений в плане.

Выделенные и оконтуренные участки позволяют разработать площадной прогноз мест активизации техногенного карстово-суффозионного процесса. Метод газовой съемки, как высокомобильный и надежный, следует рекомендовать в качестве метода предварительных изысканий при обосновании мест заложения пьезометрической сети в системе литомониторинга.

По результатам исследований составлены рекомендации по управлению функционированием ПТС. На их основе были устранены утечки НП и проведена их откачка из грунтовых вод, что позволило сократить площадь загрязнения.

Глава 6. Моделирование процессов выветривания и карстообразо вания карбонатных пород в лабораторных условиях

В главе рассмотрены результаты лабораторного моделирования процессов выветривания и карстообразования карбонатных пород в лабораторных условиях.

Разработка прогноза процесса требует изучения его механизма, т.е. исследования "его характера, интенсивности и режима, предоп ределяемого взаимодействием геосреды с внешними средами" (ГКБондарик, 1981).

Механизм процесса выветривания и карстообразования определяется совокупностью региональных, зональных и техногенных факторов.

Логично рассматривать механизм процесса выветривания и карстообразования и состав его продукта в зависимости от принадлежности к той или иной климатической зоне (Л.А.Ярг,1987).

Описаны температурно-влажностностные классы кор выветривания (Т\Л/К) в пределах Европейской части СНГ. При изучении территорий с существенными техногенными нагрузками на геологическую среду особую и часто решающую роль играют техногенные факторы, оказывающие влияние как в локальном, так и в региональном масштабе. Как отмечалось выше, на территории ОПЭС сформировалась активная техногенная нагрузка на окружающую среду.

Поэтому при изучении механизма процессов выветривания и карстообразования необходимо исследовать как естественные, так и

техногенные факторы. Техногенные факторы на территориях промплощадок ТЭС проявляются достаточно однотипно.Они определяются технологическими особенностями станций. Естественные факторы зависят от принадлежности изучаемой области к той или иной климатической зоне.

Процессы выветривания и карстообразования карбонатных пород изучались Д.С. Соколовым, HB. Родионовым, А.Г. Лыкошиным, Л.А.Молоковым, O.K. Янатьевой, ИИ. Гинзбургом, Б.В. Залесским, И.А.Саваренским, Н.А.Мироновым, ВМКутеповым, A.A. Колодяжной, ВВ.Толмачевым, А.Джеймсом, Л.А.Ярг, М.А.Макеичевой, ВМКувшинниковым и др. В ходе экспериментальных исследований предпринимались попытки воспроизвести физическое разрушение карбонатных пород под влиянием попеременного увлажнения - высушивания, замерзания - оттаивания.

Главной целью лабораторного моделирования, проведенного автором, являлось изучение механизма процессов выветривания и карстообразования и прогноз изменения химико-минералогического состава и физико-механических свойств карбонатных пород и их элювия под воздействием естественных (природных) и техногенных факторов, обусловленных эксплуатацией Рязанской ОПЭС и ГРЭС.

Основные задачи моделирования заключались в следующем:

- изучить влияние гидрохимической обстановки (pH и компонентного состава инфильтрующихся вод) на интенсивность процессов растворения и выщелачивания;

- оценить роль температурного фактора (в интервале от -20 С до +40 С) на ход развития процессов выветривания и карстообразования карбонатных пород;

- установить влияние исходного состава, текстурно-структурных особенностей, дисперсности пород, гидрогеохимических условий и температуры на физико-механические свойства пород;

- оценить величину растворения и выщелачивания различных карбонатных пород, распространенных на изучаемой территории;

- исследовать влияние дисперсности элювия карбонатных пород на его растворимость;

- дать количественную оценку вклада различных компонентов в процесс выветривания и карстообразования карбонатных пород (получить математическую модель процесса).

Для моделирования процесса выветривания и карстообразования карбонатных пород использовалась динамическая установка типа МАК. Она дает возможность изучить процесс в динамике; изменять в заданных пределах параметры эксперимента; наблюдать за характером изменения состава и физико-механических свойств пород. Установка позволяет воспроизводить как природную, так и нарушенную гидродинамическую, гидрохимическую и термодинамическую обстановки: природный цикл воды (атмосферные осадки -инфильтрация - сток); две зоны влажности (аэрации и попеременного

увлажнения); различные скорости инфильтрации и объемы инфильтрующейся жидкости; кислотно-щелочные условия и взаимодействие с кислородом, азотом, углекислым газом и др.; различный температурный режим (в диапазоне от -20 до +80 град.); получить две фазы разложения: твердую (остаточную) и фильтрат, содержащий все вынесенные компоненты. Моделирование проведено по методике Л.А.Ярг.

Важным этапом планирования эксперимента является выбор моделей. Основными агентами процесса выветривания и карстообразования карбонатных пород в естественных условиях являются тепловая энергия, атмосферные осадки, кислород, углекислый газ, органические кислоты, а при техногенных взаимодействиях на территориях ТЭС к ним добавляется активное воздействие растворов неорганических кислот (азотной, серной и т.д.). При выборе моделей в задачу автора входило воспроизвести основные факторы, обусловливающие изменение состава и свойств пород под воздействием естественных и техногенных факторов. При выборе и обосновании моделей автор руководствовался реальной обстановкой на ОПЭС, оцененной по результатам режимных наблюдений. При планировании работ весь эксперимент был условно разделен на два блока. Первый - воспроизводил природные (естественные) воздействия; второй - техногенные, характерные для промплощадки Рязанской ОПЭС. В первом блоке выявлялась роль зональных факторов в процессах выветривания и карстообразования карбонатных пород, а во втором - локальных, техногенных.

Лабораторное моделирование проведено на карбонатных породах (известняках и доломитах) нижнего карбона района г.Протвино и промплощадки ОПЭС.

Исследование. растворимости элювия карбонатных пород проводилось с учетом их дисперсности на трех разностях: дисперсной, дисперсно-обломочной и обломочной.

Лабораторное моделирование позволило вскрыть механизм процессов растворения и выщелачивания, его особенности, обусловленные воздействием различных факторов и приводящие к формирования разных Т\Л/К. Выявлено, что растворимость карбонатных пород существенно зависит от гидрохимических и термодинамических условий среды. Вынос вещества - прямой показатель растворимости - в кислой среде (Т\Л/К 2.2) в 3 раза выше, чем в нейтральной (Т\/\/К 3.3). Температурно-влажностные условия и состав исходных пород предопределяют возможность формирования и состав остаточного продукта выветривания. На карбонатных породах, практически лишенных примесей, остаточный продукт не образуется Характер процесса выветривания известняков существенно зависит от содержания в них глинистого вещества. Образующаяся нерастворимая глинистая пленка на поверхности пород затормаживает процессы растворения В глинистых доломитах разрушение структурных связей приводит к увеличению пористостц

и формированию карбонатного дресвяно-глинистого материала, более проницаемого, чем исходная порода

Растворимость окских и тульских известняков в природных условиях примерно одинаковая В условиях техногеннных воздействий она возрастает в 7-75 раз, при этом существенное значение приобретает компонентный состав и концентрация загрязняющего вещества. Суммарный вынос компонентов из горных пород в зависимости от рН среды и ее состава ранжируется в ряд: I модель (СНЗСООН, рН 32) > Illa модель (H2SO , рН 4.0) > 1116 модель (HN03 , рН 4.0) > II модель (С02 ,рН 4.6) > IY модель (Н20, рН 7.0) и соответственно составляет, в г/я 0.274; 0.025; 0.021; 0.012; 0.004.

Растворимостью элювия известняков в 2-8 раз выше растворимости исходных пород, за счет большей удельной поверхности и проницаемости. При увеличении степени дисперсности элювия (содержании фракции менее 0.1 см соответственно 0; 50%; 100%) растворимость пород возросла с 0.016 г/л до 0.093 г/л в модели II (С02), а в модели I - снизилась с 0.52 г/л до 0.203 г/л. При инфильтрации растворов через зону глинисто-песчаного элювия существенную роль приобретает механическая суффозия, составляющая в нейтральной среде 94% (IV модель) и 50% (модель II, С02); в кислой среде - 35% (модель Illa), и ноль - в сильнокислой среде (модель I).

Присутствие в инфильтрационных водах органических кислот увеличивает растворимость карбонатных пород; существенна роль открытой пористости и трещиноватости. При уменьшении водопроницаемости массива известняков за счет тонкодисперсного заполнителя, суммарный вынос компонентов снижается: растворимость щебенистого элювия составила 0.528 г/л, дресвяно-песчаного -0.303 г/л, глинисто-песчаного - 0.203 г/л.

Прослежены изменения физико-механических свойств карбонатных пород в ходе эксперимента.

Выполненные экспериментальные исследования растворимости карбонатных пород показали, что влияние техногенных факторов существенно активизирует развитие ЭГП.

Математическое моделирование процессов выветривания и карстообразования карбонатных пород, базирующееся на данных лабораторного моделирования, может быть использовано для прогноза растворимости карбонатных пород под действием естественных и техногенных факторов.

Метод лабораторного моделирования может быть успешно применен для изучения механизма и разработки прогноза процессов выветривания и карстообразования карбонатных пород на конкретных объектах в рамках литомониторинга.

Глава 7. Методика анализа состояния и пространственно -временного прогнозирования функционирования природно-технической системы с целью организации мониторинга ПТС ТЭС

Прогнозирование является важнейшим звеном при организации литомониторинга.

При оценке территории необходимо исходить из естественно-исторических предпосылок и анализа техногенных воздействий, которые возникают или могут возникнуть в ходе интенсивного хозяйственного освоения. Это позволяет более обоснованно подойти к прогнозированию процессов.

Первоочередной задачей при прогнозе карстово-суффозионного процесса является оценка защищенности территории от техногенной нагрузки. В случае отсутствия надежной естественной защиты карбонатного массива и грунтовых вод, следующей задачей является оценка техногенной нагрузки: источников, типов, масштабов и области распространения. Функционирование ОПЭС вызывает изменения: гидродинамических условий, гидрогеохимических условий, термодинамических условий, структуры газовых полей.

Процедуру прогнозирования целесообразно начать с гидрогеологической оценки территории. Ведущим при обосновании мониторинга является экологогидродинамический анализ (И.К.Гавич,1992).

Следующей операцией по прогнозированию является анализ температурного режима подземных вод, который, как показали исследования автора, влияет на процессы растворения и выщелачивания карбонатных пород

Цель следующего этапа заключается в установлении местоположения опасных аномалий с точки зрения активизации карстового процесса. Она достигается в ходе совместного анализа серии карт компонентов гидрогеохимических условий. Значительная техногенная нагрузка на территории промплощадки, а так же весьма слабая ее защищенность, предопределяют прямую зависимость компонентного состава от характера источников загрязнения. Анализ тренд-поверхностей показателей свойств системы позволил получить представления о динамике пространственно-временного состояния системы. Данные об изменении гидродинамических, температурных и гидрогеохимических условий, а так же газовых полей дают возможность, во-первых, оконтурить "очаги" возможного развития техногенных процессов (выветривания, карста, суффозии, иллювиального и т.д.), во-вторых, разработать систему мероприятий по их своевременной ликвидации, и, в-третьих, получить количественные параметры свойств ПТС и техногенной нагрузки, необходимые для обоснования (выбора) моделей лабораторного моделирования карстово-суффозионного процесса.

Следующим этапом прогнозирования является изучение растворимости карбонатных пород и их элювия под влиянием техногенных вод различного

компонентного газового состава, рН и температуры в пределах выделенных неблагоприятных участков.

Применение лабораторного моделирования позволяет изучить механизм процесса, прогнозировать изменение физико-механических свойств карбонатных пород и растворимость в пределах участков, выделенных в результате гидрогеологической оценки и анализа структуры газовых полей.

С карстовым процессом парагенетически связаны суффозионный и иллювиальный процессы. Поэтому, наряду с прогнозом карстового процесса, должны прогнозироваться и другие члены парагенеза.

Рассмотренные выше аспекты прогнозирования сложного парагенеза процессов обобщены на схеме операций по прогнозированию карстово -суффозионно - иллювиального процесса ( Л.А.Ярг, АНХацкевич, В.М.Кувшинников,1992). Она предусматривает оценку современного состояния ПТС на базе специальных полевых работ и режимных наблюдений, проводимых в рамках мониторинга.

Заключение о современном состоянии системы позволяет сформулировать цели моделирования, обосновать конкретные прогнозируемые параметры и выбрать виды моделирования.

Дальнейшие операции предусматривают проведение моделирования, направленного на получение частных прогнозов. При этом принципиальным является комплексирование различных методов получения информации и прогноза. Комплексирование разных методов обеспечивает реализацию общего прогноза парагенеза опасных техногенных процессов.

Заключение

Тепловые станции оказывают интенсивную техногенную нагрузку на окружающую среду. При этом отмечается активизация неблагоприятных инженерно-геологических процессов, к которым, в первую очередь, относятся карстово-суффозионный процесс, подтопление территории, загрязнение грунтов и подземных вод различными компонентами. Перечисленные процессы парагенетически связаны между собой.

В пределах промплощадки Рязанской ОПЭС выявлены участки загрязнения горных пород и подземных вод нефтепродуктами, агрессивными технологическими растворами органических и неорганических кислот, фекальными, сточными водами, а также тепловое загрязнение, которые активизируют развитие карстово-суффозионного процесса. На территории станции за два года отмечено образование четырех воронок диаметром до 1.5м. Некоторые из них привели к нарушеню нормального функционирования станции.

Сложность инженерно-геологических условий и активная техногенная нагрузка предопределяют необходимость создания системы режимных наблюдений в рамках мониторинга, которая включает в себя наблюдения за осадками зданий и сооружений (по осадочным маркам), наблюдения за уровнем,

температурой и химическим составом подземных вод (25 скважин), газовую съемку на режимных участках, ежеквартальный контрольный осмотр территории, зданий, коммуникаций и сооружений.

На основании результатов гидродинамического, гидрохимического, гидротермического анализов выделены аномальные зоны, соответствующие зонам активизации карстово-суффозионного процесса.

Теоретические предпосылки показали возможность, а эксперименты подтвердили целесообразность применения в рамках мониторинга подпочвенновоздушной модификации атмогеохимического метода для выявления и оконтуривания участковв загрязнения нефтепродуктами грунтовых вод и грунтов, в пределах которых вероятна активизация карстово-суффозионного процесса.

Путем лабораторного моделирования вскрыт механизм процесса растворения и выщелачивания карбонатных пород и его особенности, обусловленные воздействием различных факторов, которые приводят к формированию различных Т\Л/К кор выветривания. Растворимость карбонатных пород существенно зависит от гидрохимических и термодинамических условий среды. Тип Т\Л/К предопределяет возможность формирования остаточного продукта.

Выполненные работы по изучению растворимости известняков и их элювия под влиянием агрессивных растворов, используемых в технологическом цикле ТЭС, показали, что в условиях техногеннных воздействий растворимость известняков возрастает в 7-75 раз. Растворимость элювия известняка в 2-8 раза выше растворимости известняков за счет большей удельной поверхности и проницаемости.

Разработана методика анализа и пространственно-временного прогнозирования состояния ПТС с целью организации мониторинга ПТС ТЭС. Методика включает: оценку защищенности территории от техногенного воздействия; оценку техногенной нагрузки на геологическую среду; гидродинамический, геотермический, гидрохимический анализы и частные прогнозы; анализ структуры газовых полей ; лабораторное моделирование растворимости карбонатных пород для целей прогноза процессов карстообразования; комплексный общий прогноз состояния ПТС, базирующийся на частных прогнозах.

Практическим результатом являются рекомендации по оптимальному управлению ПТС, которые позволили предотвратить и уменьшить масштабы загрязнений и активизацию неблагоприятных инженерно-геологических процессов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Реализация техногенных взаимодействий с карбонатными породами в лабораторных условиях. Тезисы докладов 1 Всесоюзного съезда инженеров-

геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев, 10-14 октября 1988г. ,с.214-215 (совместно с ЛА.Ярг).

2. Механизм и прогноз формирования температурно-влажностных классов кор вьеетривания карбонатных пород. Инженерная геология, 1989, N1, с .46-57 (совместно с АА.Ярг).

3. Задачи и пути организации литомониторинга территорий ТЭС, сложенных карбонатными породами. Инженерная геология, 1989,N 5,с.71-75 (совместно с Л.А.Ярг).

4. Опыт применения газовой съемки для контроля загрязнения грунтовых вод в сфере взаимодействия тепловых электростанций. Тезисы докладов конференции "Газово-геохимические методы поисков полезных ископаемых в Южно-Каспийской впадине и обрамляющих горных системах", Баку, 1989, с.102-104 (совместно с Е.С.Замковским, АНХацкевичем, В.В.Пономаревым).

5. О возможности применения комплекса газовых съемок (С02 и эманационной) для инженерно-геологических изысканий при строительстве.(На примере подземных сооружений на территории Московской области).Тезисы докладов конференции "Газово-геохимические методы поисков полезных ископаемых в Южно-Каспийской впадине и обрамляющих горных системах", Баку,' 1989, с.157-158 (совместно с ЕС.Замковским, АНХацкевичем, В.В.Пономаревым).

6. Применение атмогеохимического метода контроля загрязнений подземных вод и грунтов зоны аэрации нефтепродуктами. Тезисы докладов конференции МГРИ "Новые материалы в области наук о Земле", Москва, 1991, с.38-39 (совместно с Е.С.Замковским, АНХацкевичем, В.В.Пономаревым).

7. Прогноз техногенного карстово-суффозионно-иллювиального процесса комплексом экспериментальных методов. Тезисы докладов международного симпозиума "Инженерная геология карста", Пермь, 1992,с.11-12 (совместно с Л.А.Ярг, АНХацкевичем).

8. Применение атмогеохимического метода исследований для прогноза участков активизации техногенного карстового процесса в карбонатных породах. Тезисы докладов международного симпозиума "Инженерная геология карста", Пермь, 1992, с.17-18 (совместно с Н.В.Деминым, ЕС.Замковским, ВБЛономаревым).