Оценка поля напряжений на водохозяйственных объектах Крыма с целью предупреждения природно-техногенных катастроф.
Рассматривается опыт исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород на склонах водохранилищ, в зонах примыканий, телах плотин, сбросных лотков, тоннелях, дамб. Показаны примеры оперативного контроля за изменением НДС для предупреждения возможных катастроф с помощью геофизического экспресс-метода ЕИЭМПЗ (естественного импульсного электромагнитного поля Земли).
Интенсивное развитие промышленного производства и сельского хозяйства, рост населения и повышение его жизненного уровня требуют увеличения потребления воды высокого качества. Это касается всех стран мира. Основным источником водоснабжения являются реки, которые в течение всей своей многовековой жизни характеризуются большой неравномерностью стока. Для его регулирования создаются водохранилища, емкость которых нередко достигает сотен миллионов кубических метров. Они, чаще всего, используются для разных целей: получения дешевой электроэнергии, водоснабжения, орошения, судоходства, разведения рыбы и др. В водном хозяйстве Крыма в настоящее время эксплуатируется 23 водохранилища с суммарным объемом 399,47 млн. куб.м.[5].
Для водоснабжения Большой Ялты и частично для мелиоративных целей в 1959 – 1963гг был сооружен гидротехнический тоннель длиной свыше 7км, пересекающий главную гряду Крымских гор. На северном склоне гряды в Бахчисарайском районе построены водохранилища, соединенные друг с другом и тоннелем деривационными сооружениями. Вода самотеком по бетонному лотку поступает в южный портал тоннеля с расходом 1000000 куб.м в сутки.
Строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений всегда сопряжены с определенными трудностями, связанными с инженерно-геологическими или горно-геологическими условиями. В зависимости от этих условий происходят существенные изменения геологической среды, начинают развиваться неблагоприятные и опасные геологические процессы и явления, которые, в свою очередь, отрицательно влияют на сооружения, выводят их из строя и могут привести к катастрофам. Необходимо осуществлять постоянный контроль за состоянием сооружений. Обычно ограничиваются визуальным внешним осмотром или инструментальными наблюдениями за установленными реперами и марками-маяками. Таким образом фиксируются деформации, главным элементом которых являются разного рода трещины. Повторные наблюдения позволяют проследить динамику трещинообразования. К какому бы генетическому или морфологическому типу трещины не относились, они представляют собой результат релаксации напряжений. С перераспределением напряжений связаны по Л. Мюллеру такие известные явления в массивах горных пород как оползни, горные удары, разрывы, обвалы [1]. Ссылаясь на теорию разрушения Гриффитса, Л.Мюллер отмечает увеличение напряжений на краях трещин. Подобная же картина наблюдается при приближении к тектоническим нарушениям, карстовым и суффозионным воронкам.
Изучение напряженно-деформированного состояния (НДС) пород на склонах водохранилищ, телах плотин и в зонах примыканий, в подземных выработках и на каналах имеет первостепенное значение. В связи с нестационарным режимом работы водохранилищ в течение суток, сезонов, многих лет качественная и количественная оценка НДС служит прогностическим критерием развития деформаций с последующим возникновением катастрофы. Особенно это активно проявляется на гидроаккумулирующих узлах, станциях и водохранилищах.
В 70-х годах прошлого столетия, благодаря нашим усилиям, многочисленным экспериментам в наземных и подземных условиях, получил практическое развитие и применение в разных отраслях народного хозяйства метод естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). Теоретические основы его были разработаны известным ученым, физиком из Томска профессором А.А.Воробьевым и руководимой им школой. В основу было положено явление генерирования электромагнитных импульсов минералами-диэлектриками и содержащими их горными породами в переменном поле механических напряжений. Результаты исследований, их приоритет были подтверждены рядом авторских свидетельств (857899, 1385815, 1088508, 97041759 и др.). Самой замечательной особенностью метода является фикcирование изменений напряжений в самой ранней, скрытой стадии микротрещинообразования. Метод был включен в СНиП [3].
Для регистрации ЕИЭМПЗ в разные годы в Украине производились в виде малых опытных серий приборы индикаторного типа. В Симферополе и Феодосии выпускались РВИНДСы, АПОГЕИ, РВИГИ, ДЭМОНЫ. В 2000г в Крымской Академии природоохранного и курортного строительства был разработан и создан прибор нового поколения АДОНИС, прошедший успешно полевые аттестационные испытания на полигонах Великобритании при Оксфордском и Лейстерском университетах. В настоящее время нашел широкое применение прибор новой модификации АДОНИС-32М, имеющий электронную память 32 Кб. Подключив его к компьютеру, с помощью специальных программ легко производится обработка полученных данных.
Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород и самих гидротехнических сооружений оценивалось на многих участках в Крыму и за его пределами. В качестве примера можно привести результаты исследований методом ЕИЭМПЗ аварийного участка на Северо-Крымском канале в районе с.Воинка, тел плотин Загорского и Счастливенского водохранилищ, входящих в состав Ялтинского гидроузла, а также Тайганского водохранилища в Белогорском районе.
В составе Ялтинского гидроузла особое место занимает гидротоннель с ярко выраженными проявлениями горного давления в виде обрушений свода, пучением почвы, зияющими трещинами в обделке. По напряженно-деформированному состоянию массива горных пород, окружающего выработку, нами выделяются четыре зоны, отличающиеся по интенсивности ЕИЭМПЗ. В связи с активной геодинамикой характерна трансформация напряжений, концентрация и рост их в отдельных местах до предельного состояния, что сопровождается горными ударами, обрушениями и возможным полным выходом тоннеля из строя. В высоконапряженных зонах рекомендуется своевременно проводить разгрузку напряжений с помощью известных в горном деле приемов.
На Загорском водохранилище при достижении объема проектной величины наибольшая концентрация напряжений была установлена вдоль правого борта на гребне (Рис. 1). Напряженное состояние тела плотины характеризовалась по принятой для породных массивов классификации [2 ], как высоконапряженное. , где
- экстремальные значения,
- медианные значения интенсивности поля.
- 1. Л.Мюллер. Инженерная геология. Механика скальных массивов. М., Изд-во «Мир», 1971. 255 с.
- 2. Саломатин В.Н. Закономерности геологических процессов и явлений, их связь с импульсной электромагнитной эмиссией. Докторская диссерт., Симферополь, 1987.412с.
- 3. СНиП. Справочное приложение 10.02.07-87. Инженерные изыскания в строительстве. М., Недра, 1981.
- 4. Проблемы инженерной геологии ГАЭС и водохранилищ с нестационарным режимом. Под ред.Г.С.Золотарева. М., Изд-во МГУ, 1983.266с.
- 5. Устойчивый Крым. Водные ресурсы. Симферополь, Таврида, 2003. с .34-36.
- 6. Шавин А.Ф., Закусилов Н.А. Водное хозяйство и орошаемое земледелие. В кн. Крым: Настоящее и будущее. Симферополь, Таврия, 1995.с.164-169.
В пределах выделяющейся на гребне полосы высоконапряженных пород наблюдается неоднородная структура поля напряжений. Аномальные напряжения пространственно расположены около стальных водоводов.
Напряжения отмечаются и в районе нижнего бьефа (точки 75, 119-121, 153), но по уровню напряженности они не вызывают опасений с точки зрения устойчивости плотины.
Напряженность вдоль гребня постепенно снижается к центральной части плотины. Очевидно, повышенная напряженность обусловлена наличием здесь водозаборных конструкций и повышенной фильтрацией.
Слабо выраженные по интенсивности аномалии наблюдаются и в других частях плотины. Это подчеркивает неоднородную структуру поля напряжений, возможную фильтрацию воды в плотине, наличие включений крепких пород типа алевролитов и песчаников. В остальных частях плотины напряженно-деформированное состояние характеризуется нормальными, близкими к средним медианным значениями. Следует обратить внимание на правостороннюю верхнюю зону примыкания (точки 46-48) с высокими напряжениями, которые могут перерасти в деформации.
Средняя и нижняя части плотины отличаются сосредоточением напряжений в краевых частях и относительно равномерным распределением в средних (рис.1).
Рис. 1. Карта-схема интенсивности ЕИЭМПЗ на плотине Загорского водохранилища при заполнении до проектного объема.
На плотине водохранилища Счастливенское -2 после его сработки напряженность пород в общем плане более высокая вдоль верхней бермы и у самой нижней, в основании тела плотины (рис. 2). Относительно высокие напряжения наблюдаются на участках примыканий, особенно вдоль левого борта плотины. Зона релаксированных напряжений наблюдается вдоль правого края плотины и прослеживается в направлении к нижним бермам. Это связано, вероятно, с наличием трещиноватости, слабых грунтов.
Рис. 2. Карта-схема интенсивности ЕИЭМПЗ на плотине водохранилища «Счастливое-2» при его сработке.
На плотине Тайганского водохранилища образовался оползень. Для принятия мер по защите плотины необходимо было установить его границы, существующие и потенциальные.
Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния тела земляной плотины выявили неоднородную структуру общего поля напряжений, наличие зон повышенной напряженности пород и релаксированных напряжений, по которым сформировались неустойчивые очаги (рис.3). Оползень имел фронтальный характер, а по напряженному состоянию тела плотины мог развиваться далее. Одной из основных причин является высокие деревья, выросшие на откосе плотины.
Рис. 3. Карта-схема интенсивности ЕИЭМПЗ на плотине Тайганского водохранилища.
Ремонтно-восстановительные работы и противооползневые мероприятия, выполненные при сработанном водохранилище, стабилизировали оползневой процесс.
Таким образом, геофизический экспресс-метод ЕИЭМПЗ позволяет контролировать напряженно-деформированное состояние гидротехнических сооружений, осуществлять прогноз развития опасных явлений. На особо ответственных объектах необходимо создание автоматизированного комплекса регистрации импульсного электромагнитного излучения. Принципиальная схема такого комплекса в настоящее время разработана.
Саломатин В.Н. Закусилов Н.А. Саломатин М.В.
