Геофизические исследования и сейсмическое микрорайонирование территории Джубгинской ТЭС по материалам ЗАО 'СевКав ТИСИЗ'

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра геофизических методов поисков и разведки

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК

Заведующий кафедрой,

доктор технических наук, профессор

____________________ В.И. Гуленко

________________________ 2013 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ (ДИПЛОМНАЯ)

РАБОТА

Геофизические исследования и сейсмическое микрорайонирование территории Джубгинской ТЭС (по материалам ЗАО «СевКав ТИСИЗ»)

Работу выполнила______________________________________ Д.В. Павлова

Факультет геологический

Специальность: 020302 Геофизика

Научный руководитель,

профессор, д-р. геол.-минерал.

наук, профессор_______________________________________ В.В. Стогний

Нормоконтролёр,

доцент, канд. физ.-мат. наук,

доцент ____________________________________________ Ю.Д. Борисенко

Краснодар 2013

РЕФЕРАТ

Дипломная работа 73 с., 3 раздела, 23 рис., 5 табл., 19 источников, 3 прил.

Джубгинская ТЭС, сейсмомикрорайонирование (СМР), сейсмичность, инженерно-геологические условия, сейсмогеологические условия, комплексирование геофизических методов, корреляционный метод преломленных волн (КМПВ), вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП), вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), сплошное электрическое зондирование (СЭЗ), электротомография.

Дипломная работа просвещена выбору и обоснованию комплекса методов изучения геолого-геофизических особенностей и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности на примере участка «Джубгинская ТЭС». В работе проанализирована результативность геофизических исследований, проведенных на участке «Джубгинской ТЭС», даются рекомендации по совершенствованию комплекса геофизических методов для изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности.

Дипломант принимала участие в обработке сейсморазведочных работ на объекте Джубгинская ТЭС в течении 2-х месяцев (с конца мая по конец июля 2012 года) в г. Краснодаре.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЙОНА ДЖУБГИНСКОЙ ТЭС

.1 Местоположение, климат и техногенные условия района работ

.2 Геологическое строение района и участка работ

.3 Тектоническое строение района работ

.4 Инженерно-геологические условия района работ

.4.1. Геоморфология

.4.2. Гидрогеологические условия

.4.3 Инженерно-геологические процессы

.5 Сейсмичность района работ

.6 Физические свойства горных пород

.7 Выводы

. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРИ ОЦЕНКЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И СЕЙСМИЧНОСТИ

.1 Опыт применения геофизических методов при изучении инженерно-геологических условий и сейсмическом микрорайонировании

.2 Результативность геофизических исследований участка Джубгинской ТЭС

.2.1 Методика производства работ

.2.2 Сейсморазведочные работы

.2.3 Инструментальные исследования

.2.4 Теоретические расчеты

.2.5 Сейсмическая опасность

.3 Выводы

. КОМПЛЕКС ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБЪЕКТОВ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ ОТВЕТСТВЕННОСТИ

.1 Комплекс методов изучения инженерно-геологических условий

.1.1 Задачи, решаемые при изучении инженерно-геологических условий

.1.2 Комплекс геофизических методов изучения инженерно-геологических условий

.2 Комплекс методов изучения сейсмогеологических условий

.2.1 Задачи, решаемые при изучении сейсмогеологических условий 

.2.2 Комплекс геофизических методов изучения сейсмогеологических условий

.3 Выводы и рекомендации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ВВЕДЕНИЕ

В связи с интенсивным строительством гостиничного, курортно-оздоровительного комплекса и олимпийских объектов ожидается повышение спроса на электроэнергию почти в 2,5 раза. В связи с дефицитом электроэнергии производится реконструкция действующих, проектирование и строительство новых объектов энергообеспечения типа Джубгинской ТЭС.

Цель исследований: на примере участка «Джубгинская ТЭС» сформировать комплекс геолого-геофизических методов изучения инженерно-геологических особенностей и сейсмического микрорайонирования.

Задачи, решаемые в пределах дипломной работы:

.        Выполнить анализ физико-геологических особенностей участка «Джубгинская ТЭС»;

.        Выполнить анализ информативности геофизических методов при исследовании территории Джубгинской ТЭС;

.        Рассмотреть различные варианты и предложить комплекс методов геофизических исследований для изучения инженерно - геологических условий и оценки сейсмической бальности объектов повышенного уровня ответственности типа Джубгинской ТЭС.

Дипломная работа написана по материалам ЗАО «СевКав ТИСИЗ». В качестве исходного материала использовался отчет о инженерно-геологических изысканиях на объекте «Джубгинская ТЭС».

Автор принимала участие в обработке полевых данных сейсморазведки участка «Джубгинская ТЭС», и считает необходимым выразить благодарность кафедре геофизики КубГУ и специалистам ЗАО «СевКав ТИСИЗ» за предоставленную возможность прохождения практики, материалы которой послужили основой дипломной работы.

1. Геолого-геофизические особенности района Джубгинской ТЭС

 

.1 Местоположение, климат и техногенные условия района работ

Участок работ находится в Краснодарском крае на территории Муниципального образования «Туапсинский муниципальный район», в 1,5 км северо-западнее с. Дефановка (рисунок 1).

- участок исследований

Рисунок 1 - Обзорная схема территории исследования (масштаб 1:200000) [1]

Объект находится на берегу надпойменной террасы р. Дефань. Общий уклон поверхности к руслу реки, крутизной до 100, в северо-восточной части 200 - 250. Абсолютные отметки на участке изысканий колеблются от 90,0 м до 70,0 м в северо-восточной части и 70,0 - 66,0 м в пределах надпойменной террасы.

Ранее территория проектируемой ТЭС была занята фруктовым садом, ныне участок работ заброшен. Восточнее участка изысканий, на относительно ровной поверхности, располагается фермерское хозяйство с теплицами.

Заезд на участок работ к центральной проходной осуществляется по подъездной грунтовой дороге в удовлетворительном состоянии. За пределами участка работ, с северо-восточной стороны проходит грунтовая дорога, с которой также можно заехать на территорию ТЭС.

В периоды интенсивного выпадения осадков проезд по участку изысканий затруднен.

Район изысканий расположен в юго-западной части Краснодарского края, в горной местности, на южных склонах невысоких гор Северо-Западного Кавказа.

Среднегодовая температура воздуха за многолетний период составляет 12,0 оС. Среднемесячная температура самого холодного месяца, января, составляет плюс 2,6 оС, самого тёплого, июля - 22,2 оС. Абсолютный максимум температуры воздуха достигает 42оС, абсолютный минимум - минус 25 оС. Амплитуда колебания абсолютных температур воздуха - 67 оС.

Снежный покров бывает ежегодно, но отличается неустойчивостью. Средняя дата появления снежного покрова 28 декабря, схода снежного покрова 6 марта.

Первые заморозки отмечаются в среднем 5 ноября. В отдельные годы заморозки возможны в первой половине октября. Средняя продолжительность безморозного периода 217 дней.

Переход средней суточной температуры воздуха ниже 5 оС происходит в первой декаде декабря, выше 5 оС весной - в первой декаде марта.

Среднегодовое количество осадков по МС Джубга 1176 мм. В тёплый период года, с апреля по октябрь, выпадает 555 мм осадков (47 % от годового количества осадков), в холодный, с ноября по март - 621 мм (53 %). Наибольшее среднемесячное количество осадков выпадает в январе, наименьшее - в мае - апреле. Режим выпадения летних осадков - ливневой. Характерной особенностью годового хода осадков является то, что их максимум не приурочен к определённому месяцу и может наблюдаться в любой из месяцев года.

Преобладающими в течение всего года являются ветры северного направления. С наступлением весны увеличивается повторяемость юго-восточных ветров, в летние месяцы несколько усиливаются ветры юго-западного направления.

 

1.2 Геологическое строение района и участка работ

В геологическом строении района работ до изученной глубины 40,0 м принимают участие нижнемеловые отложения барремского яруса афипской свиты, перекрытые чехлом четвертичных отложений [2]. Четвертичные образования представлены техногенными, современными элювиальными, делювиальными, морскими и аллювиальными отложениями (рисунок 2).

Рисунок 2 - Фрагмент геологической карты Северо - Кавказского региона масштаба 1:500 000 (2000г.) [3]

На исследованной территории до разведанной глубины 40,0 м вскрыты отложения техногенного, делювиального, аллювиального и элювиального генезиса.

Техногенные образования (tQIV) распространены локально на исследуемой территории, в местах проезда по участку изысканий и представлены галечниковым грунтом с суглинистым заполнителем до 20%, с дресвой, щебнем и валунами до 10%. Мощность насыпного грунта 0,4 м, а на участке центральной проходной - 1,8 м.

Делювиальные отложения (dQIV) развиты на склонах в северо-восточной части участка изысканий под почвой до глубины 5,5 м. Представлены отложения суглинком с редкими включениями дресвы и щебня песчаника до 10 % и дресвяным грунтом. Мощность отложений 3,4 - 5,9 м.

Аллювиальные отложения (аQIV) развиты в пойме р. Дефань и слагают ее. Представлены отложения суглинком и гравийным грунтом с редкими валунами. Галька и гравий осадочных пород разной степени окатанности. Мощность отложений 0,7 - 3,0 м.

Современные элювиальные образования (еQIVС) распространены на всей исследуемой территории и представлены почвой суглинистой, темно-бурой, туго и мягкопластичной, с корнями растений, мощностью до 0,5 м [1].

Морские отложения (mQIV) получили локальное распространение. Образуют останцы плоскостей выравнивания. Представлены отложения гравийным грунтом с редкими валунами. Галька и гравий осадочных пород разной степени окатанности. Мощность отложений 0,8 - 1,3 м.

Породы мелкообломочной зоны элювиальных отложений (еQIV (K1 afbr)) представлены аргиллитом выветрелым, распадающимся на дресву и щебень. Мощность отложений 0,5 - 6,0 м.

Породы дисперсной зоны элювия (еQIV (K1 afbr)) представлены глиной аргиллитоподобной выветрелой до состояния суглинка с дресвой и щебнем аргиллита до 10 %, мощностью 0,3 - 4,0 м.

1.3 Тектоническое строение района работ

Район работ расположен в пределах Новороссийского синклинория, который является элементом мегаантиклинория Большого Кавказа.

Северо-Западный Кавказ включает в себя три структурных элемента: Новороссийский синклинорий, Гойтхский антиклинорий и Абино-Гунайский синклинорий (рисунок 3).

Новороссийский синклинорий выполнен мощными толщами мел-эоценового флиша, смятыми в опрокинутые к югу складки, осложненные надвигами и небольшими покровами. Южная часть синклинория вовлечена в опускание Черноморской впадины и косо срезается берегом Черного моря.

Рисунок 3 - Тектоническая схема Северо-Западного Кавказа (Масштаб 1:500000) [3]

III6 - Гойтхский антиклинорий; III7 - Абино - Гунайский синклинорий; III8 - Новороссийский синклинорий.

тектонический сейсмологический геологический геофизический

Структура слоев нижней и средней юры, слагающих Гойтхский антиклинорий, довольно проста. Она усложняется развитием дополнительной мелкой складчатости в мощных аргилитовых пачках разреза. Кроме того, на южном крыле антиклинория складки заметно наклоняются и даже опрокидываются к югу. Антиклинорий окаймляется с этой стороны крупным разрывом (Бекишейский надвиг), отделяющим его от зоны развития верхнеюрских, меловых и нижнепалеогеновых флишевых толщ южного склона, образующих Новороссийский синклинорий.

Северное крыло мегантиклинория Северо-Западного Кавказа выделяется обычно под названием Абино-Гунайского синклинория. В восточной части северного крыла расположена Лагонакская моноклинальная зона, сложенная в основном мощным комплексом верхнеюрских известняков. Собственно Абино-Гунайский синклинорий занимает центральную часть северного крыла между реками Пшеха на востоке и Абин на западе. Сложен он в основном нижнемеловыми отложениями. По северному борту Абино-Гунайского синклинория располагается Азовская антиклинальная зона, являющаяся поверхностным проявлением зоны Ахтырского разлома.

На западе структура Северо-Западного Кавказа резко погружается под неоген-четвертичные молассы Керченско-Таманской зоны поперечного погружения.

 

1.4 Инженерно-геологические условия района работ

 

.4.1 Геоморфология

Согласно геоморфологическому районированию Северного Кавказа, рассматриваемая территория относится к провинции Большого Кавказа, области среднегорного рельефа на позднеальпийских складчатых и моноклинальных структурах, к средневысотным структурно-денудационным горам.

Участок изысканий находится на левом берегу I надпойменной террасы р. Дефань. Общий уклон поверхности к руслу реки, крутизной до 100, в северо-восточной части 200 - 250. В северо-восточной части участка изысканий два балочных понижения, которые ниже по склону сливаются, а затем постепенно переходят в поверхность надпойменной террасы. Эрозионный врез ручьев составляет около 30 см.

Абсолютные отметки на участке изысканий колеблются от 90,0 м до

,0 м в северо-восточной части и 70,0 - 66,0 м в пределах надпойменной террасы.

 

1.4.2 Гидрогеологические условия

При производстве работ (январь - март 2011 г.) геологическими выработками до изученной глубины 40,0 м вскрыты два гидравлически связанных между собой водоносных горизонта, приуроченных к четвертичным отложениям (первый водоносный горизонт) и коренным породам нижнего мела (второй водоносный горизонт).

Глубина залегания от поверхности подземных вод аллювиальных и элювиально-делювиальных отложений изменяются от 0,0 м до 5,5 м, что соответствует абсолютным отметкам 63,92 и 85,88 м.

Питание первого водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и талых вод. Область питания совпадает с областью распространения водоносного горизонта. В северной и центральной частях площади изысканий разгрузка водоносного горизонта происходит преимущественно за счет испарения с поверхности и незначительно в направлении общего грунтового потока в сторону р. Дефань. Это обусловлено низкими фильтрационными свойствами водовмещающих пород и застойным характером вод. В южной части площадки фильтрационные свойства гравийных грунтов удовлетворительные, и разгрузка горизонта происходит преимущественно в р. Дефань.

Подземные воды первого водоносного горизонта безнапорные, местами могут обладать незначительным местным напором из-за неоднородного по фильтрационным свойствам состава слагающих разрез пород.

Повышение уровня грунтовых вод с выходом их на поверхность происходит в период обильных осадков и интенсивного снеготаяния, что и было зафиксировано в процессе изысканий. Значительная часть площадки была затоплена и заболочена. Есть вероятность образования в насыпных, суглинистых и гравийных грунтах верхней части разреза сезонного водоносного горизонта типа «верховодка», который может смыкаться с основным водоносным горизонтом.

Уровень грунтовых вод на момент изысканий в скважинах 31, 45, 47 был зафиксирован у поверхности, в скважине 15 на глубине 0,1 м, в скважинах 9, 22 - на 0,2 м, в скважинах 5, 16, 46 - на 0,3 м, в скважинах 26, 28 - на 0,4 м от поверхности земли.

Второй водоносный горизонт приурочен к зоне экзогенной трещиноватости верхнего этажа толщи аргиллитов нижнего мела.

По характеру залегания эти воды относятся к пластово-трещинным. Водопроницаемость отложений непостоянна как по площади, так и по разрезу и зависит от развития трещиноватости, открытости и связи между собой систем трещин и степени их заполнения глинистым материалом.

Питание второго водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации подземных вод из вышезалегающих отложений и за счёт бокового притока со стороны склонов. Разгрузка второго горизонта грунтовых вод происходит в направлении общего грунтового потока в сторону р. Дефань.

 

1.4.3 Инженерно-геологические процессы

На исследованной территории получили распространение экзогенные и эндогенные процессы.

Эрозия в пределах участка изысканий развивается в балочном понижении, расположенном в восточной части площадки и в овраге, протекающем с востока на запад за северной границей проектируемой ТЭС. В овраге за территорией исследуемого участка водоток постоянный и в русле отмечена активная боковая эрозия. В балочном понижении в восточной части участка работ водоток возникает только в период интенсивного выпадения осадков. В верховьях балочного понижения наблюдается боковая и глубинная эрозия.

Площадная пораженность территории около 7 %. Категория опасности овражной эрозии - умеренно опасная.

Процесс подтопления развивается на обводненных участках с глубиной залегания уровня подземных вод 2 м и менее. По этому критерию всю территорию, отведенную под строительство ТЭС, за исключением восточного участка, следует отнести к потенциально подтопляемой.

Необходимо отметить участок техногенного подтопления, расположенный северо-восточнее центральной проходной. Застой поверхностных вод обусловлен нарушением естественного дренажа в результате техногенной нагрузки (строительство забора, площадки у центральных ворот проходной) и низкой фильтрационной способностью глинистых грунтов. Площадная пораженность участка изысканий составляет около 70 %.

Процессы подтопления могут привести к негативным последствиям и создать осложнения при строительстве и эксплуатации новых сооружений. Нарушение условий поверхностного стока при строительстве может привести к переувлажнению и заболачиванию отдельных участков.

Физическое выветривание в пределах района работ развито повсеместно. Процессу выветривания подвержены породы коренной основы (аргиллиты), в результате чего сформировалась кора выветривания eQIV (K1afbr).

В пределах исследуемого участка следует отметить возможное проявление оползневых процессов.

В результате обследования рассматриваемой территории, следы современных оползневых подвижек (стенок отрыва, оползневых ступеней и т.п.) не установлены. Однако, на участках склонов, где крутизна составляет более 150, возможно образование оползней пластического течения со смещением делювиальных отложений вниз по склону [1].

1.5 Сейсмичность района работ

Исследования сейсмичности имеют важное значение в физике Земли, так как позволяют изучить динамические процессы, протекающие в земной коре и мантии.

Принято разделение землетрясений на три группы по глубине их очага: мелкофокусные или обыкновенные (неглубокие) с глубиной очага <70 км; промежуточные с глубиной очага 70-300 км; глубокофокусные с глубиной очага глубже 300 км (300-700 км) [4].

Одной из задач изучения сейсмичности является определение закономерностей географического распределения землетрясений. С этой целью развернута мировая сеть сейсмических станций, регистрирующих сейсмические волны, создаваемые землетрясениями.

Северо-Западный Кавказ в сейсмологическом отношении изучен очень слабо. Кроме того, для этого района отсутствуют и макросейсмические сведения о проявлениях сильных землетрясений в прошлом; такие сведения для Северо-Западного Кавказа в целом имеются лишь для античного времени и последних 250 лет и являются отрывочными даже в пределах указанных периодов.

В первую очередь, обращает на себя внимание концентрация эпицентров в двух районах - Сочинском и Анапском, и практически полное отсутствие таковых в центральной части Северо-Западного Кавказа.

В поле эпицентров инструментальных и исторических землетрясений рассматриваемый район расположен в центральной части практически «асейсмичной» области. Исключение составляет прибрежная полоса, где ощущался толчок 1978.09.3 (М=5.5, Геленджик, Архипо-Осиповка - 6-7 баллов). Здесь же (в Архипо-Осиповке) с интенсивностью 6-7 баллов ощущался и толчок 1937.06.24.

Из анализа сейсмостатистических данных следует, что около 2/3 слабых землетрясений (М до 4.0) на Северо-Западном Кавказе происходят в самом верхнем 5-ти километровом слое земной коры; далее слабая сейсмичность монотонно и быстро спадает с глубиной; распределение с глубиной сильных и умеренных землетрясений имеет один довольно резкий максимум на глубинах 11-15 км, после которого число землетрясений также монотонно и достаточно быстро уменьшается с глубиной.

По данным, полученным после создания карт ОСР-97, составлен уточненный вариант карты зон ВОЗ для района Джубгинской ТЭС (рисунок 4).

На карте зон ВОЗ изображена площадь, в пределах которой располагаются сейсмогенерирующие зоны задающие уровень сейсмических воздействий в районе Джубгинской ТЭС.

Участок исследований расположен в пределах Михайловской зоны ВОЗ. В непосредственной близости от Джубгинской ТЭС расположена Черноморская зона ВОЗ.

В приложении А приведен каталог землетрясений, произошедших в непосредственной близости с. Дефановка.

- участок исследований

Рисунок 4 - Карта зон ВОЗ для района Джубгинской ТЭС с указанием их названия и Mmax [1]

В соответствии со специализированными исследованиями по уточнению фоновой (исходной) сейсмичности в районе строительства Джубгинской ТЭС выполненными Институтом физики Земли РАН в 2011 году в единицах макросейсмического балла шкалы MSK-64 для «средних» грунтов по сейсмическим свойствам, в зависимости от вероятности землетрясений и их средней повторяемости, ответственности сооружений и сроков их службы, территория Джубгинской ТЭС расположена в зоне с сейсмичностью 7,7 балла по шкале MSK-64 с 5% уровнем вероятности превышения за 50 лет (рисунок 5).

(MSK-64) - 12-балльная шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (шкала интенсивности) была разработана в 1964 году и получила широкое распространение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). MSK-64 лежит в основе СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и странах СНГ.

Рисунок 5 - Фрагмент карты общего сейсмического районирования Российской Федерации - ОСР-97-В 5%-ная вероятность превышения расчетной интенсивности в течение 50 лет [1]

1.6 Физические свойства горных пород

В целом изучаемые породы - терригенно-карбонатная (флишевая) формация мела.

Указанные породы по своим прочностным показателям объединяются в несколько инженерно-геологические групп: группу скальных, анизотропных и изотропных пород, полускальных пород, чередующихся

Водопоглощение у меловых аргиллитов сравнительно высокое - 4,6-5,82. По сопротивлению на раздавливание аргиллиты относятся к породам со средней и слабой прочностью, т.к. сопротивление на раздавливание по слоистости равно 28,5-50 МПа, а вкрест слоистости - 85-125 Мпа.

Постседиментационные преобразования сильно повышают прочность песчанистых пород, на всем протяжении исследуемого разреза они характеризуются большой плотностью и высокими прочностными показателями. Плотность песчаников довольно высокая, она колеблется от 2,70 до 2,76 г/см3, изредка повышаясь до 2,82 г/см3, чаще же она равна 2,76 г/см3, объемная масса - высокая - 2,60-2,72 г/см3, в среднем достигает 2,70 г/см3, пористость равна 4-65%, водопоглощение низкое - 1,4 до 3. Прочность песчаников высокая и колеблется в пределах 68-220 Мпа. График зависимости изменения водопоглощения от возраста горных пород также прямолинейного характера. Увеличение водопоглощения происходит от древних к молодым породам.

Сравнивая физико-механические свойства мергелей, можно заметить, что они отличаются друг от друга. Нижние мергели характеризуются повышенной плотностью 2,76 г/ом3, более низким водопоглощением - З,2-4,8 и повышенной прочностью, временное сопротивление раздавливанию равно 70-110 Мпа.

Известняки, как и мергели, встречаются в флишевых образованиях.

По физико-механическим свойствам известняки довольно схожи между собой, их плотность равна 2,75-2,77 г/см3, объемная масса сравнительно высокая - 2,60-2,72 г/см3, пористость низкая - 2,5-5,2 г/см3 Водопоглощение снизу вверх по разделу увеличивается от 2,7 до 4,5.

По прочностным показателям известняки относятся к среднепрочным породам, их сопротивление раздавливанию колеблется в пределах 74-100 МПа.

Для осадочных пород характерна ионная проводимость. Удельные сопротивления различных типов пород приведены в таблице 1. Удельное сопротивление песчано-обломочных пород меняется в зависимости от структуры и степени диагенеза. Более плотные и сцементированные алевролиты и песчаники обладают более высоким удельным сопротивлением. Для карбонатных пород основное значение имеют трещино-пластовые воды. В верхних частях разреза в связи с непостоянством водного режима удельное сопротивление карбонатных пород, как правило, тоже колеблется в значительных пределах. Глинистые породы характеризуются низкими и сравнительно постоянными сопротивлениями.

Скорость продольных сейсмических волн изменяется от 300 м/c для неуплотненных песчано-глинистых пород до 5500 м/c для карбонатных и хорошо сцементированных терригенных пород. Пределы изменения скорости приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Удельное электрическое сопротивление (Ом×м) [5]

Порода	Измерение на образах	Измерения ВЭЗ и катротажа
Глинистые сланцы	1×103-1×105	5×10-5×102
Аргиллиты	1×103-1×105	2×10-2×102
Песчаники пористый	1×105-1×106	3×10-2×102
Песчаники плотный	1×105-×1106	1×102-1×103
Мергели	1×104-1×105	1×102-1×103
Известняк трещиноватый	1×104-1×106	1×102-1×103
Известняк плотнокристалический	1×104-1×106	1×103-105

Таблица 2 - Пределы изменения скорости распространения продольных волн (м/с) [6]

Порода	Vpmin	Vpmax
Cуглинки	800	1800
Аргиллиты	900	4500
Песчаники	800	4500
Мергели	1300	4500
Известняк	1000	5500

Уровень грунтовых вод наблюдается на глубине 11-17 м. Скорость распространения продольной сейсмической волны 1400 м/с. Меньшая, чем принятая для воды скорость (1500 м/с) вероятно связана с ее спорадическим распространением или с наличием локальных пустот.

Таким образом, дифференцированность горных пород верхней части разреза района исследования по физическим свойствам (удельное электрическое сопротивление и скорости упругих волн) благоприятны для применения методов инженерной геофизики.

1.7 Выводы

В связи с запланированным строительством Джубгинской ТЭС, основным назначением которой является обеспечение надежного энергоснабжения объектов зимней Олимпиады 2014 года и Черноморского побережья Краснодарского края на участке от Новороссийска до Туапсе, были проведены инженерно-геологические изыскания на объекте исследований.

)        Участок работ находится в Краснодарском крае на территории Муниципального образования «Туапсинский муниципальный район», в 1,5 км северо-западнее с. Дефановка.

)        Район исследований расположен в пределах Новороссийского синклинория, который является элементом мегаантиклинория Большого Кавказа.

)        На исследованной территории до разведанной глубины 40,0 м вскрыты отложения техногенного, делювиального, аллювиального и элювиального генезиса.

)        Инженерно-геологические условия района работ следующие: участок изысканий находится на левом берегу I надпойменной террасы р. Дефань; глубина залегания от поверхности подземных вод аллювиальных и элювиально-делювиальных отложений изменяются от 0,0 м до 5,5 м, что соответствует абсолютным отметкам 63,92 и 85,88 м; на исследованной территории получили распространение экзогенные и эндогенные процессы, в их числе - эрозия, процесс подтопления, физическое выветривание.

)        Территория Джубгинской ТЭС расположена в зоне с сейсмичностью 7,7 балла по шкале MSK-64 с 5% уровнем вероятности превышения за 50 лет.

)        Дифференцированность горных пород верхней части разреза района исследования по физическим свойствам (удельное электрическое сопротивление и скорости упругих волн) благоприятны для применения методов инженерной геофизики.

2 Геофизические методы при оценке инженерно-геологических условий и сейсмичности

 

.1 Опыт применения геофизических методов при изучении инженерно-геологических условий и сейсмическом микрорайонировании

Эффективность геофизических исследований при изучении инженерно-геологических условий достигается применением методов различной физической природы, с повышенной детальностью наблюдений, получением интегральных характеристик, отражающих особенности строения и свойств массива пород в его естественном залегании, возможностью многократных повторных наблюдений без нарушения строения и состояния геологической среды. Последнее обстоятельство позволяет осуществлять режимные геофизические наблюдения за интенсивностью геологических процессов, происходящих под воздействием естественных и техногенных факторов.

Инженерно-геологические геофизические исследования выполняют на земной поверхности, в скважинах и горных выработках. Используют также аэрокосмические и аэрогеофизические материалы. Ведущими методами являются сейсмические: метод преломленных волн (МПВ), реже - отраженных волн (МОВ), а также один - два из следующих: электропрофилирование методами естественного поля (ЕП), вертикальные электрические зондирования методом сопротивлений или вызванной поляризации (ВЭЗ или ВЭЗ-ВП), частотные зондирования (ЧЗ), зондирования становлением поля (ЗС), гравимагнитные, ядерные и скважинные методы.

Расчленение поверхностных и коренных отложений и изучение оснований проектируемых наземных инженерных сооружений (промышленных, гражданских, гидротехнических, транспортных и др.) проводят для оценки несущей способности и устойчивости массивов горных пород на конкретных строительных площадках. Эти работы характеризуются большой детальностью (масштаб исследований от 1:10000 до 1:1000).

Геофизические методы используют для картирования рыхлых отложений и определения глубины залегания коренных скальных пород, детального расчленения верхней части разреза, оценки физико-механических и водно-физических свойств пород в их естественном залегании, изучения трещиноватости и нарушенности массива, определения уровня грунтовых вод и их динамики. В задачи геофизических методов входит также изучение напряженного состояния коренных пород, выявление геодинамических явлений и сейсмичности (карст, суффозия, оползни, обвалы, просадки и др.), представляющих опасность для будущего строительства, проведение мониторинга за работой ответственных сооружений и изучение их влияния на геологическую среду [6].

Для этого применяют комплекс методов, состав которого в значительной степени аналогичен используемому на ключевых участках, но ведущими в комплексе являются сейсморазведка методом преломленных волн (МПВ), а также электромагнитные зондирования (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП или ЗСБ), которые дополняются, по возможности, микромагнитной, эманационной, гамма-съемками. Применяют также сейсмоакустическое и электромагнитное межскважинные просвечивания.

Методика сейсмического микрорайонирования была разработана советскими и японскими ученными. Именно в указанных странах в 1950-е гг. были разработаны основные методы и способы СМР, которые в настоящее время используют в практических работах во всем мире.

СМР ставит целью прогнозировать сейсмическое поведение грунтов при сильных землетрясениях с выделением на исследуемой территории зон с различной расчетной интенсивностью. При этом учет нелинейных характеристик грунтов имеет первостепенное практическое значение, поскольку интенсивные сейсмические колебания грунтов подвержены сильным нелинейным искажениям. Следствие этого - расширение спектра сейсмического импульса, изменение сейсмических ускорений и, как следствие, неоднозначное изменение разрушающего действия землетрясений - сейсмической опасности и риска территории [7].

Основным способом оценки приращения балльности является метод сейсмических жесткостей (МСЖ). Он основан на том, что поток сейсмической энергии от землетрясения в двух близких пунктах наблюдения на различных грунтах остается постоянным (с точностью до энергии отраженной волны). Поэтому амплитуды колебаний в цуге продольных (Р) и поперечных (S) волн, определяющие сейсмический эффект, должны быть обратно пропорциональны значениям сейсмических жесткостей (произведению скорости распространения волн Vр или Vs на плотность ρо) средних (эталонных грунтов) и грунтов исследуемого участка [7].

Таким образом, для оценки приращения сейсмической интенсивности на исследуемой территории, необходимо знать скорости сейсмических волн в грунтах, слагающих эту площадку. Скорости распространения продольных и поперечных волн в грунтах определяются с помощью наземных и скважинных сейсморазведочных наблюдений, а также расчетным способом, используя данные лабораторных измерений.

Одной из основных причин использования не одного, а нескольких видов геофизических исследований, является неоднозначность получаемых результатов, а, следовательно, и неопределенность конечных выводов. Особенно отчетливо неоднозначность проявляется при изучении верхней части разреза, в которой свойства и состояние объектов являются ярко выраженными функциями пространственных координат и времени.

Комплексирование может быть как внутриметодным геофизическим, основанным на использовании различных физических полей в рамках одного метода, так и межметодным - использование геофизических исследований совместно с другими геологоразведочными.

Принципы комплексирования геофизических методов можно свести к нескольким наиболее общим положениям: 1) каждый из используемых методов должен обнаруживать присутствие данного объекта; 2) данные разных методов должны обнаруживать не только сходство, но и различие качеств изучаемого объекта; 3) задачи, стоящие перед комплексом, и методы исследований должны быть согласованы между собой.

Сейсмические методы - основное средство изучения физико-механических свойств грунтов на площадке СМР. Методы эти различаются по типу волн, частотному составу и системам наблюдений как внутри массива фунтов, так и на дневной поверхности. Из сейсмических методов наиболее распространенным и известным является метод преломленных волн. Но он имеет ряд существенных ограничений, поэтому в дополнение к нему зачастую выполняются работы методом прямого ВСП.

Необходимость комплексирования методов сейсморазведки в данном конкретном случае обусловлена несколькими причинами: 1) типичная глубинность сейсморазведки КМПВ при инженерных изысканиях - 15-20 м. Но в некоторых случаях проектные глубины объектов составляют на несколько метров больше. Поэтому с целью получения скоростей распространения продольных и поперечных волн в грунтах до глубины 30 м применяется метод прямого ВСП; 2) существенным ограничением в использовании МПВ является невозможность выделения сейсмических границ, на которых происходит уменьшение скорости волн. А для оценки приращения балльности необходимо знать скорости волн во всех слоях в пределах толщи выбранной мощности. Для сейсморазведки ВСП такого ограничения нет; 3) вертикальной разрешающей способности метода МПВ зачастую недостаточно для выделения в разрезе слоев малой мощности. А в методе ВСП можно выбрать небольшой шаг наблюдений по скважине, чтобы подробно изучить даже тонкие слои.

2.2 Результативность геофизических исследований участка «Джубгинская ТЭС»

 

.2.1 Методика производства работ

Задачей геофизических исследований являлось уточнение сейсмичности участка работ по методу сейсмических жесткостей.

Уточнение сейсмичности проводилось на основе изучения сейсмических, инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей условий строительства на территории с учетом ожидаемого спектрального состава колебаний среды при возможных опасных землетрясениях в районе с.Дефановка.

Для решения поставленных задач использовался корреляционный метод преломленных волн (КМПВ).

Сейсморазведочные работы выполнялись методом первых вступлений преломленных волн по корреляционно-увязанным системам с получением встречных годографов продольных и поперечных волн.

Наблюдения проводились по схемам ZZ (вертикально направленные удары и прием на вертикальных сейсмоприемниках) и YY (горизонтально направленные перпендикулярно линии профиля удары и прием на горизонтальных сейсмоприемниках). Профили отработаны по 9-точечной системе наблюдения для расстановки длиной 69м и 92 м (пункты удара на концах косы и вдоль нее с шагом 9-12м) (рисунок 6). Расстояние между пунктами возбуждения (ПВ) составляет 9-12м, база приема 69-92 м, шаг между пунктами приема (ПП) - 3-4м, на каждом ПП устанавливался один сейсмоприемник.

Рисунок 6 - Система наблюдения для базы расстановки 69 м [1]

В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась сертифицированная 24-канальная 24-разрядная цифровая сейсмостанция «Лакколит-24 XM2» производства ООО «Логические системы» (рисунок 7), в состав которой входят регистратор, ноутбук (типа PC) с программным обеспечением, сейсмическая коса, сейсмоприемники. Регистрация колебаний производилась на жесткий диск компьютера, сейсмограммы записывались в формате SEG-Y. Время регистрации 768 мс. Время дискретизации 0.5 мс. Возбуждение колебаний производилось посредством ударов кувалдой массой 8 кг по металлической плашке 20х20х1см с накоплением в каждом пункте от 10 до 40 раз. Для возбуждения SH-поляризованных волн производились разнонаправленные удары в крест профиля по вертикальным стенкам шурфа.

Сейсмостанция «Лакколит-24 XM2» предназначена для производства сейсморазведочных работ методами преломленных и отраженных волн при инженерно-геологических изысканиях и сейсмомикрорайонировании.

Основные технические характеристики сейсмостанции

Лакколит Х-М2 [1]:

·        число регистрируемых каналов - 24;

·        поканальная аттенюация сигнала - 0, 20, 40 дБ;

·        диапазон регистрируемых частот, Гц - 5-4000;

·        разрядность АЦП        - 24;

·        время регистрации, мсек - до 6144;

·        число отсчетов на канал - до 3072;

·        диапазон рабочих температур - -40…+50 градусов;

·        уровень приведённых ко входу шумов - 0,25 мкВ;

·        масса - 1.26 кг;

·        питание - 12±30% В;

·        средняя потребляемая мощность - 6 Вт.

Рисунок 7 - Цифровая инженерная сейсмостанция "Лакколит Х-М2" [1]

Для регистрации сейсмических сигналов с использованием вышеназванной сейсмостанцией использовались сейсмическая коса СМ-24 (рисунок 8) и сейсмоприемники GS-20DX (рисунок 9) производства

ООО «ОЙО ГЕОИМУЛЬС ИНТЕРНЭШНЛ», обладающие частотной характеристикой с собственной частотой 10 Гц и обеспечивающие надежный прием регистрируемых сигналов. Эта частота обеспечивает равномерность в полосе частот 10-500 Гц, что даёт возможность принимать в неискаженном виде колебания от описанных выше источников продольных и поперечных SH-волн.

Рисунок 8 - Сейсмическая коса СМ-24 [1]

Рисунок 9 - Сейсмоприемник GS-20DX [1]

Основные технические характеристики сейсмоприемника GS-20DX [1]:

·        Собственная частота (Fn) - 10±5% Гц;

·        Верхний предел частоты пропускания - 250 Гц;

·        Сопротивление катушки (Rc) - 395±5% Ом;

·        Гармонические искажения на частоте 12 Гц - <0,2%;

·        Степень затухания в открытой цепи (Bo) - 0,30;

·        Степень затухания с шунтом 1 кОм - 0,70±5%;

·        Чувствительность (G) - 27,6 В/м/с;

·        Чувствительность с шунтом 1 кОм - 19,7±5% В/м/с;

·        Постоянная затухания (Rt•Bc) - 549,4;

·        Масса подвижной части - 11 г;

·        Рабочий диапазон температур - -45…+80° С;

·        Габаритные размеры: диаметр - 25,4 мм; высота - 33 мм; масса - 87,6 г.

В лабораторных условиях станция “Лакколит 24-XМ2” была протестирована на синхронизацию начала записи приемников, как между собой, так и с датчиком-сейсмоприёмником, срабатывающим в момент удара. Анализ показал, что фазовые сдвиги для различных каналов менее 0,01 мс.

Для проверки фазовой и амплитудной идентичности сквозного сейсмического тракта перед началом полевых работ проведены специальные тестовые измерения (рисунок 10).

Рисунок 10 - Сейсмоприемники с косой. Проверка фазовой и амплитудной идентичности [1]

Проведенные испытания показали, что используемая аппаратура соответствует техническим требованиям, которые предъявляются техническим средствам при производстве сейсморазведочных работ. В ходе проведения полевых работ ежедневно выполнялись контрольные проверки амплитудной и фазовой идентичности сейсмического канала без сейсмоприемников с записью аппаратурной сейсмограммы.

Первичная обработка материалов (суммирование сейсмограмм) проведена с помощью программы «Лакколит», входящей в комплект поставки сейсмостанции. Дальнейшая обработка выполнена с помощью специализированной лицензионной программы для обработки данных КМПВ «RadExPro Near Surface».

Метод КМПВ применяется для оценки скоростного строения среды и выделения преломляющих границ, характеризующих литологические и физические изменения в разрезе.

Обработка материалов КМПВ производится в следующей последовательности:

)        Составление паспортов профилей;

)        Редакция сейсмограмм;

)        Корреляция годографов преломленных волн;

)        Обработка и редакция наблюденных годографов, составление систем сводных встречных и нагоняющих годографов, вычисление скоростных законов;

)        Вычисление граничных скоростей и построение преломляющих границ по системам встречных и нагоняющих годографов способом пластовых скоростей;

)        Обработка и редакция преломляющих границ, составление окончательных глубинных разрезов.

Поперечные S-волны регистрируются в последующих вступлениях. Для подавления предшествующих им продольных волн применяется разно-полярное суммирование сейсмограмм, полученных от противоположно направленных ударов. Как правило, данная процедура и последующая полосовая частотная фильтрация позволяет в достаточной степени уверенно определить времена вступлений поперечных волн и проследить смену волн, преломленных на разных границах.

Пример сейсмограммы МПВ по профилю СП02 приведен на рисунке 11.

Рисунок 11 - Пример сейсмограммы МПВ по профилю СП02 [1]

Здесь представлена сейсмограмма записи по схеме YY зарегистрированная на пикетах наблюдения ПК0 - 92 при ударах на ПК 36, на которой прослеживаются вступления поперечной S-волны. Полученные средневзвешенные значения для 10-метровой толщи сейсмических скоростей - Vp= 737-1268 м/с, Vs=191-393 м/с.

 

2.2.2 Инструментальные исследования

На объекте «Джубгинская ТЭС» было отработано 9 сейсмозондирований. База приема расстановки выбиралась непосредственно на объекте, исходя из особенностей участков, и составляла от 69 до 92 м. Общая длина скоростных разрезов составляет 805 м. В результате геофизических исследований, выполненных сейсморазведочным методом КМПВ, установлены геофизические параметры геологического разреза, позволившие выполнить геофизическую интерпретацию материалов полевых исследований и результатов их математической обработки.

Метод сейсмических жесткостей.

Количественная оценка сейсмичности инженерно-геологических условий проведена на основе сравнения исходных сейсмических жесткостей, полученных непосредственно на дневной поверхности площадки, Vi´ri и эталонных Vэ´rэ грунтов с учетом влияния обводненности разреза: DJ=1.67lg Vэ´rэ/ Vi´rI+DJупв. Исходные данные для расчета определялись: ri- плотность грунтов в каждом слое по лабораторным исследованиям; Vi- соответственно сейсмические скорости в каждом слое по сейсморазведочным данным и влияние обводненности разреза DJупв=ke-0.04h, где h - расчетное положение уровня подземных вод. Коэффициент, учитывающий литологический состав грунта, принят k= 0.5 [1].

Мощность расчетной толщи влияющей на балльность принималась равной 10 м.

Разделение территории объекта на микрорайоны с различной интенсивностью сейсмического воздействия (сейсмическое микрорайонирование) основано на изучении сейсмических свойств слагающих территорию грунтов и их сравнение с эталонным грунтом с известной исходной (фоновой) сейсмичностью.

Поэтому выбор эталонного грунта является одним из наиболее важных моментов в процессе СМР. От правильности выбора зависит надежность и обоснованность оценок сейсмической опасности для различных грунтов, а также сопоставимость полученных данных для определенных площадей региона.

В качестве эталонных грунтов рекомендуется выбирать средние грунты - необводненные супесчано-суглинистые грунты с включением обломочного материала, относящиеся ко II категории по сейсмическим свойствам со следующими средними параметрами верхнего 10-метрового слоя: скорости продольных и поперечных сейсмических волн Vp=500-700 м/с и Vs=250-350 м/с, плотность r = 1,7-1,8 г/см3 [1].

На территории объекта СМР под рекомендуемые параметры и свойства средних грунтов подходят грунты в пункте установки инженерно-сейсмологической станции (ИСС) № 49: Vp=660 м/с, Vs=320 м/с, r = 1,95 г/см3. Эти грунты и были приняты в качестве эталонных.

При расчете приращения сейсмичности за воду использовались значения установившегося уровня грунтовых вод.

По результатам работ на территории исследования значения приращения балльности за сейсмическую жесткость грунтов основания составили:

DJж = -0.22 - 0.33 балла. Величина приращения сейсмичности за счет ухудшения сейсмических свойств грунтов при их водонасыщении составила DJупв=0.34 - 0.50 балла. Суммарные приращения с учетом влияния обводненности грунтов составили - DJмсж = -0.51 - 0.52 балла. Результаты расчетов приращений приведены в приложении Б.

 

2.2.3 Теоретические расчеты

Для обеспечения сейсмостойкости сооружений, помимо сейсмической интенсивности для расчетов несущих конструкций и оснований зданий на основные и особые сочетания нагрузок сейсмических воздействий, необходимы сведения о количественных характеристиках колебаний (грунтов) опасных для проектируемых сооружений при возможных сильных землетрясениях в районе. Поэтому одной из задач сейсмического микрорайонирования является определение спектрального состава колебаний грунтов при возможных наиболее опасных землетрясениях. Решение этой задачи возможно только приближенное, т.к. истинный состав колебаний грунтов на изучаемой территории может быть определен лишь по записям наиболее опасных землетрясений, таковые в данном районе отсутствуют.

Теоретические расчеты спектральных характеристик и синтезированных акселерограмм проводились по параметрам многослойного сейсмического разреза с горизонтальными границами раздела по программе «МТС» (метод тонкослоистых сред), разработанным в институте Физики Земли имени О.Ю.Шмидта, Л.И.Ратниковой, М.В.Сакс.

Расчеты выполнены с учетом требований п.2.2 СНиП П-7-81*, вып. 2000г., п.п.5.1.2, 5.1.3 СНКК 22-301-2000*, вып.2004, СНиП 2.05.06-85* [1].

Для расчета ожидаемых сейсмических воздействий на территорию под строительство объекта «Джубгинская ТЭС» в качестве исходной информации использовались следующие данные:

фоновая сейсмичность района изысканий в соответствии с работами по уточнению исходной сейсмичности (УИС) для объектов I (повышенного) уровня ответственности - 7,7 (8) баллов [1];

параметры эталонного сейсмогеологического разреза;

параметры расчетных моделей сейсмогеологических разрезов, характерных для исследуемой площадки.

В качестве параметров расчетной модели принимались полученные в экспериментах непосредственно на участке скорости продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн в слоях соответствующей мощности (Н), средние значения плотности (r) по данным лабораторных опытов, а также декременты поглощения (Dp,s) сейсмических волн, заимствованные из литературных и фондовых источников.

Расчеты проводились для существующих инженерно-геологических условий по поперечным сейсмическим волнам, как наиболее опасным для сооружений при землетрясениях.

За эталонный принят сейсмический разрез принятый при СМР г. Туапсе, соответствующий пункту расположения сейсмической станции Единой сейсмической сети ЕСС-49.

По результатам анализа сейсморазведочных, инженерно-геологических исследований составлены 3 модели расчетных разрезов, характерных для площади. Расчетные сейсмические разрезы на грунтах площади исследования и на эталонных грунтах II категории по сейсмическим свойствам для с. Дефановка приведены ниже в таблице 3.

Таблица 3 - Параметры расчетных сейсмических разрезов [1]

№ слоя	Vp, м/с	Vs, м/с	r, т/м3	H, м	Dp	Ds
Модель 1
1	420	180	1.98	4.0	14.	14.
2	2700	510	1.92	3.5	140.	35
3	2700	890	2.40	µ	0	0
Модель 2
1	480	190	2.19	3.5	15.
2	2600	600	2.40	4.5	135.	34.
3	2700	1000	2.40	µ	0	0
Модель 3
1	470	200	1.98	3.0	15.	15.
2	2500	380	2.40	5.9	135.	34.
3	2700	1050	2.40	µ	0	0
Модель 4 - эталонный разрез (СМР г. Туапсе).
1	340	180	1.94	3.6	12.	12.
2	1400	600	2.08	6.8	50.	20.
3	2470	1070	2.42	µ	0	0

Из существующего мирового банка акселерограмм в качестве исходной использовалась акселерограмма Сан-Хосе 04.09.1955г. Акселерограмма Сан-Хосе является аналогом акселерограмм землетрясений из очаговых зон Туапсинского района, которые могут создавать на площадке строительства 8-балльные сотрясения. Параметры акселерограммы приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры акселерограммы Сан-Хосе[1]

Дата	М	h, км	D, км	а, см/с2	T, с	J, балл
04.09.55г	5.8	14	6.0	106	0.1-0.2	8

Максимальная амплитуда (ускорения) колебаний входного сигнала выбранной акселерограммы, введением нормирующего коэффициента, приведена к уровню, соответствующему интенсивности 8-балльного сейсмического воздействия на грунты II категории по сейсмическим свойствам, при строительстве сооружений повышенного уровня ответственности.

В соответствии с положением п.2.2 б СНиПа II-7-81* нормативное ускорение по шкале MSK-64 принято:

для объектов повышенного уровня ответственности при исходной сейсмичности 8 баллов с повторяемостью 1 раз в 1000 лет, а=200 см/с2.

В результате расчетов получены следующие материалы: спектральные характеристики, спектры реакций, расчетные акселерограммы и графики коэффициентов динамичности.

Расчетные акселерограммы показывают ожидаемый процесс колебаний толщи грунтов во времени, зависящий от спектра колебаний коренной основы и спектральной характеристики грунта. Они используются для расчета динамических параметров проектируемых сооружений и на их основе сейсмических нагрузок и напряжений в конструкциях.

Синтезированные акселерограммы, рассчитанные для объектов повышенного уровня ответственности приведены в приложении В.

Спектральные характеристики (АЧХ) представляют собой амплитудно-частотные характеристики толщи рыхлых грунтов. АЧХ показывают во сколько раз изменяется интенсивность сейсмических воздействий на дневной поверхности относительно полупространства в зависимости от периода колебаний. Собственный период колебаний сооружений не должен соответствовать периоду максимума характеристики (Т = 0.1 - 0.15с). В противном случае возможно возникновение резонансных явлений в системе «грунт-сооружение».

Одним из видов представления информации о колебаниях сооружений на определенных грунтах при наиболее опасных землетрясениях служат спектры реакций.

Спектры реакций показывают максимум ускорения RA колебаний системы «грунт-сооружение» (в долях ускорения свободного падения, g) и приводятся для объектов повышенного уровня ответственности. По графикам для различных грунтов можно подобрать тип (конструкцию) здания (сооружения), исходя из затухания и периода его собственных колебаний. Для этого нужно выбрать интервал периодов графика, для которого значения RA находятся ниже заданного уровня.Коэффициент динамичности учитывается при расчетах сейсмических нагрузок.

В результате расчетов в таблице 5 приводятся максимальные значения характеристик грунтов по спектральным особенностям.

Таблица 5 - Характеристики грунтов по спектральным особенностям [1]

№	Спектральные характеристики		Спектры реакций		Коэффициент динамичности		Расчетная акселеро- грамма
модели	Umax, ед.	T, с	RA max, cм/с2	Т,с	b max, ед.	T,c	а max, cм/с2	Iмтс, балл
1	7.11	0.10	1204	0.10 - 0.30	3.40	0.10-0.30	354	-0.03
2	4.54	0.10	1158	0.30	3.15	0.30	367	0.02
3	6.37	0.10	1202	0.10 - 0.30	3.35	0.10 - 0.30	359	-0.01
4эт	6.30	0.10	1194	0.10 - 0.30	3.30	0.10 - 0.30	362	0
Примечания: Umax , RA max , аmax , bmax - максимальные амплитуды соответствующих графиков; Т - периоды максимумов; 4эт - эталонный разрез.

Расчет приращений сейсмической интенсивности по расчетным акселерограммам проводился по отношению к максимальному значению ускорения для эталонного разреза (модель 4эт), равному аmaxэ= 362 см/с2 - для объектов повышенного уровня ответственности. Полученные значения входят в интервал значений ускорений грунта, соответствующего 8 баллам по п.8.54, табл. 14 СНиП 2.05.06-85*, п. 2.2 СНиП II-7-81*, вып. 2000 [1].

Приращения сейсмической интенсивности рассчитаны относительно эталонного разреза, 4эт по формуле: DJмтс=3.3 lg аi/аэ.

Основные характеристики сейсмических воздействий на исследуемом объекте при возможных опасных землетрясениях в районе по данным расчетного метода имеют следующие значения для строительства объектов повышенного уровня ответственности: аmax=354 - 367 см/с2, Таmax= 0.10 - 0.30 с, при повторяемости события 1 раз в 1000 лет.

Коэффициент динамичности грунтов, слагающих площадку изысканий b=3,15 - 3.40 [1].

Таким образом, полученные значения максимальных ускорений для расчетных типовых разрезов, по величине близки и находятся в пределах нормативных значений, рекомендуемых для грунтов II категории по сейсмическим свойствам [1].

 

2.2.4 Сейсмическая опасность

Грунты, слагающие площадку, считая от естественной поверхности, согласно табл.1 СНиП II-7-81*, вып. 2000 относятся ко II и III категориям по сейсмическим свойствам [1].

В основу оценки сейсмичности района работ положены следующие принципы:

.        Фоновая сейсмичность района в соответствии с работами по уточнению исходной сейсмичности (УИС) повышенного уровня ответственности - 7.7 баллов. Значения исходной сейсмичности относятся к грунтам со «средними» по сейсмическим свойствам, т.е. ко II категории.

.        В качестве эталонного приняты «средние» грунты, относящиеся ко II категории по сейсмическим свойствам согласно табл. 1 СНиП II-7-81* [1].

.        Приращения сейсмичности, рассчитанные для грунтов, слагающих площадку, относительно эталонного грунта с учетом их обводненности составили -0.51 - 0.52 балла.

.        Количественные характеристики прогнозируемых сейсмических воздействий: аmax=354 - 367 см/с2, Таmax= 0.10 - 0.30 с. Повторяемость такого сотрясения 1 раз в 1000 лет, что соответствует 5% вероятности превышения расчетной интенсивности в течении 50 лет [1].

По результатам совместного анализа всего комплекса данных (инженерно-геологических, инструментальных геофизических исследований) с учетом исходной сейсмичности, определенной по специализированным исследованиям по уточнению фоновой сейсмичности (УИС) для объектов массового строительства, площадка характеризуется сейсмической интенсивностью 7.7 баллов. Для объектов повышенного уровня ответственности с учетом исходной сейсмичности, определенной по специализированным исследованиям по уточнению фоновой сейсмичности (УИС), площадка характеризуется сейсмической интенсивностью 7 и 8 баллов. Причиной увеличения фоновой сейсмичности являются как низкоскоростные грунты, так и высокий уровень грунтовых вод. Возможность подтопления территории так же является неблагоприятным фактором.

При освоении таких участков нужно учитывать не только сейсмическую опасность, связанную с сейсмическими свойствами грунтов, но и влияние указанных неблагоприятных факторов.

При этом следует принимать дополнительные меры по укреплению и усилению оснований и конструкций сооружений.

В тех случаях, когда в процессе производства инженерных изысканий на площадках строительства конкретных сооружений, расположенных в границах объекта, будут выявлены не учтенные ранее факторы, способные повлиять на сейсмичность (наличие локальных неоднородностей, длительное воздействие техногенных факторов и т.п.) следует провести дополнительные работы по уточнению сейсмичности.

 

2.3 Выводы

1)      Задачей геофизических исследований являлось уточнение сейсмичности участка работ по методу сейсмических жесткостей. Для решения поставленной задачи использовался корреляционный метод преломленных волн (КМПВ). В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась 24-канальная 24-разрядная цифровая сейсмостанция «Лакколит-24 XM2». Для регистрации сейсмических сигналов использовались сейсмическая коса СМ-24 и сейсмоприемники GS-20DX.

)        В результате исследований на участке «Джубгинская ТЭС» уточнена расчетная сейсмичность площадки проектируемого строительства с учетом уровня ответственности сооружений - СЕМЬ и ВОСЕМЬ баллов.

)        Метод КМПВ является эффективным, но его не достаточно для объективного изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий, в связи с чем возникает необходимость применения методов различной физической природы и их комплексирования.

3. Комплекс геофизических методов изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности

Изложенный в предыдущей главе комплекс геофизических методов является типовым. Здесь же будет предложен рациональный комплекс методов изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий.

 

3.1 Комплекс методов изучения инженерно-геологических условий

 

.1.1 Задачи, решаемые при изучении инженерно-геологических условий

Современное развитие геофизики позволяет решать довольно сложные задачи. За более чем полувековой период существования этой относительно молодой науки она вооружилась большими знаниями, позволяющими ей эффективно и с большой точностью решать эти задачи. Эффективность изучения геологической среды инженерно-геофизическими исследованиями во многом определяется грамотной постановкой задачи и правильным выбором комплекса геофизических методов.

Так как объект «Джубгинская ТЭС» особо важный, он нуждается в детальных исследованиях. Ниже приведены задачи, требующие решения:

·        детальное расчленение верхней части разреза;

·        оценка физико-механических свойств горных пород;

·        изучение трещиноватости и нарушенности массива;

·        выявление пластичных грунтов;

·        изучение гидрогеологических условий (условия залегания подземных вод);

·        изучение геологических и инженерно-геологических процессов и явлений (карст, суффозия, оползни и др.)

Задачи, выше перечисленные, решаются при помощи использования рационального комплекса геофизических методов, который может включать методы сейсморазведки (МПВ,), электроразведки (ЕП, ВЭЗ, СЭЗ и др.), скважинной геофизики и др.

 

3.1.2 Комплекс геофизических методов изучения инженерно-геологических условий

С оптимальной точки зрения для изучения инженерно-геологических условий объекта помимо сейсморазведочных методов необходимо включать методы электроразведки. В комплексе с сейсмическими методами они повысят детальность исследований.

Сейсморазведку активно применяют при изучении инженерно-геологических условий, связанных с проектированием и строительством крупных инженерных сооружений.

Ввиду повышенных требований к детальности исследований при малоглубинной сейсморазведке точки регистрации колебаний располагают по профилям с небольшим шагом от 1-2 до 5-10 м. Для возбуждения колебаний часто используют удары механических устройств или ручной кувалды, в том числе - боковые удары для возбуждения поперечных волн типа SН. Отраженные волны этого типа позволяют изучать самые мелкие сейсмические границы, которые не удается прослеживать по продольным колебаниям из-за наложения сильных релеевских волн-помех.

При инженерно-геологических изысканиях ослабленные зоны в коренных породах могут быть выявлены по характеру распределения сейсмических скоростей и динамическим особенностям записей. Целесообразно изучать затухание как продольных, так и поперечных волн, поскольку последние обычно сильнее ослабляются в зонах трещиноватости. Совместное наблюдение волн обоих типов позволяет определять модули упругости пород. Вычисляемые по данным сейсморазведки, эти модули называются динамическими - в отличие от статических модулей упругости, определяемых методами механики грунтов. В настоящее время достаточно подробно изучена связь между динамическими и статическими модулями упругости, что позволяет надежно прогнозировать механические параметры грунтов по сейсмическим наблюдениям.

При строительстве промышленных зданий и сооружений необходимо знать прочностные (деформационные) свойства грунта. МПВ является одним из основных геофизических методов инженерной геологии при определении глубины залегания коренных пород (мощности зоны выветривания) и их «сохранности» - прочности. Начиная от дневной поверхности, с глубиной происходит нарастание скоростей распространения упругих волн в породах, часто в виде границ первого рода - со скачком скорости, поэтому образуются преломленные волны и по ним можно найти значения скоростей распространения продольных и поперечных волн. По значениям скоростей рассчитываются прочностные свойства пород, в частности, модуль всестороннего сжатия, необходимые для выбора глубины заложения и конструкции фундамента. Получение динамических разрезов преломленных волн позволит определять некоторые детали изменения упругих свойств преломляющего пласта по амплитудам волн [8].

Также при изучении инженерно-геологических условий объекта неотъемлемым методом является вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП.) ВСП обеспечивает надежность привязки выделенных на сейсмограммах поверхностных наблюдений волн к конкретным отражающим и преломляющим границам. При ВСП регистрируется вся волновая картина.

Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) проводится при расположении источника и приемников сейсмических колебаний вдоль вертикального профиля, обычно по стволу скважины. При проведении ВСП глубоких скважин специальные зонды, чаще всего с трёхкомпонентными приемниками, помещаются в глубокую скважину, в возбуждение колебаний взрывами проводится в специально пробуренных мелких скважинах.

Вертикальное сейсмическое профилирование или сейсмический каротаж неглубоких скважин (до 100 м) может быть проведен с использованием аппаратуры и оборудования, применяемого для малоглубинных сейсмических исследований. Например: в скважину с жидкостью можно опускать специальный гидрофон (приемник волн давления в воде) подключенный к одному из каналов усиления сейсмостанции, а пункты ударов располагать у устья скважины. После каждого удара (или серии ударов) гидрофон поднимается на 1-2 м. При этом регистрируется вся волновая картина ВСП. В последующем строят вертикальный годограф первых вступлений и определяют средине и пластовые скорости.

Больше информации о разрезе может быть получено при применении трехкомпонентного зонда для приема, и возбуждении как продольных, так и поперечных волн.

Для сейсмического каротажа электроискровым источником излучатель на кабеле опускается в заполненную водой скважину, а прием осуществляется на сейсмоприемнике, установленный у устья скважины, или гидрофон, опускаемый в ту же скважину (обращенный сейсмический каротаж). При этом, перемещение вдоль ствола скважины как источника, так и приемника, а также их вместе, предоставляет широкие возможности для изучения волновой картины во внутренних точках среды. Электроискровой разряд в скважине возбуждает также гораздо более высокочастотные сейсмические колебаний, чем удары по поверхности земли, что тоже является преимуществом таких исследований [8].

В настоящее время разработаны специальные комплексы программ для обработки данных ВСП (например: RadExPro-VSP), позволяющие улучшать прослеживаемость тех или иных типов волн на записях определять средние, интервальные и пластовые скорости, поглощающие свойства пород, строить временные и глубинные разрезы (для прискважинного пространства - при выносных пунктах возбуждения).

Что касается электроразведочных методов, то для инженерно-геологических исследований достаточным будет применение: традиционного метода ВЭЗ, относительно нового метода СЭЗ.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) - основано на изучении изменения удельного электрического сопротивления горных пород (по вертикали) на глубину. Метод ВЭЗ служит для вертикальной стратификации геологических и гидрогеологических разрезов. Глубина проникновения электрического тока регулируется расстоянием между источником тока и приемником. Она возрастает с увеличением разноса.

Для выполнения ВЭЗ на каждой точке зондирований выполняют серию измерений при последовательном увеличении разноса АВ симметричной четырёхэлектродной установки AMNB (рисунок 12), при этом каждый последующий разнос отличается от предыдущего на 20-50%.

Рисунок 12 - Симметричная четырёхэлектродная установка Шлюмберже [9]

С увеличением разноса АВ плотность тока уменьшается, вследствие чего измеряемый сигнал убывает по амплитуде и может стать соизмеримым с порогом чувствительности аппаратуры. Поэтому технология работ ВЭЗ предусматривает периодическое увеличение разноса приёмной линии MN, которое для контроля качества полевого материала производится с перекрытием по двум точкам [9].

По результатам полевых измерений ВЭЗ строится кривая зависимости кажущегося сопротивления от разноса ρk = f(AB/2) и выполняется её интерпретация. В зависимости от числа слоев геоэлектрического разреза и соотношения их удельного электрического сопротивления различают типы геологического разреза. Существует два типа двухслойных геологических разрезов, с проводящим основанием (ρ2 < ρ1) и непроводящим основанием (ρ2 > ρ1) и четыре типа трёхслойных разрезов, обозначаемых буквами латинского алфавита: A (ρ1< ρ2< ρ3), К (ρ1< ρ2> ρ3), Н (ρ1> ρ2< ρ3) и Q (ρ1>ρ2>ρ3) [9]. Характерные кривые ВЭЗ двухслойных и трёхслойных типов разрезов приведены на рисунке 13.

Рисунок 13 - Типы двухслойных (а) и трёхслойных (б) кривых ВЭЗ: 1, 2 - соответственно графики истинных и кажущихся сопротивлений [9]

Четырёхслойные разрезы по соотношению удельных электрических сопротивлений делятся на 8 типов, которые обозначаются двумя буквами последовательно составляющих их типов трёхслойных разрезов (1-3-й и 2-4-й слои): АА, АК, КН, KQ, НА, НК, QH, QQ. Пятислойные разрезы по соотношению удельных электрических сопротивлений делятся на 16 типов, которые обозначаются тремя буквами последовательно составляющих их типов трёхслойных разрезов (1-3 и 2-4 и 3-5 слои), например, НКН, шестислойные делятся на 32 типа и обозначаются четырьмя буквами последовательно составляющих их типов трёхслойных разрезов (1-3-й, 2-4-й, 3-5-й и 4-6-й слои), например, КНКН и т. д.

Исходя из физических и электрических свойств пород [10], слагающих участок исследований, мною были рассчитаны экспериментальные кривые ВЭЗ (рисунки 14, 15, 16, 17), разрез кажущегося удельного электрического сопротивления и геоэлектрический разрез в программе Ipi2win (рисунок 18). Также мною была дана геологическая интерпретация экспериментальных материалов ВЭЗ по территории «Джубгинская ТЭС»

Рисунок 14 - Кривая ВЭЗ №1 и значения УЭС

Рисунок 15 - Кривая ВЭЗ №2 и значения УЭС

Рисунок 16 - Кривая ВЭЗ №3 и значения УЭС

Рисунок 17 - Кривая ВЭЗ №4 и значения УЭС

Рисунок 18 - Разрез кажущегося удельного электрического сопротивления и геоэлектрический разрез

Геологическая интерпретация материалов ВЭЗ по территории «Джубгинская ТЭС»

ВЭЗ№1 - пятислойная модель. Тип кривой - НКН. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 0,816м, рк = 144 Ом-м.

-й слой - отложения водонасыщенных глин. Мощность 0,75м, рк = 23,9 Ом-м.

-й слой - отложения плотных песчаников. Мощность 1,71 м, рк = 613 Ом-м.

-й слой - отложения глин. Мощность 2,67 м, рк = 15,3 Ом-м.

-й слой - плотных песчаных отложений, рк = 370 Ом-м, нижняя граница которых по данным ВЭЗ не устанавливается.

ВЭЗ№2 - четырехслойная модель. Тип кривой - АК. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 0,436 м, рк = 52,2 Ом-м.

-й слой - отложения рыхлых песчаников. Мощность 23,3 м, рк = 94,8 Ом-м.

-й слой - отложения известняка. Мощность 8,33 м. рк = 2193 Ом-м

4-й слой - рк =5,96 Ом-м, нижняя граница которого по данным ВЭЗ не устанавливается, слой влажных глин.

ВЭЗ№3 - четырехслойная модель. Тип кривой - НКН. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 0,946 м. рк = 120 Ом-м.

-й слой - слой плотных песчаных отложений. М-сть 0,465 м, рк = 10,8 Ом-м.

-й слой - отложения мергеля. Мощность 1,68 м. рк = 329 Ом-м.

-й слой - слой глинистых отложений. Мощность 2,09 м, рк = 12,7 Ом-м.

-й слой - рк =250 Ом-м, нижняя граница которого по данным ВЭЗ не устанавливается, слой плотных песчаников.

ВЭЗ№4 - шестислойная модель. Тип кривой - НКНК. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 1,12 м,рк = 38,1 Ом-м.

-й слой - слой плотных глинистых отложений. М-сть 1,03 м, рк = 16,6 Ом-м.

-й слой - слой плотных песчаных отложений. М-сть 0,515м, рк = 283 Ом-м.

-й слой - слой плотных полутвердых глинистых отложений. Мощность 3,37 м, рк = 12,4 Ом-м.

-й слой - слой кварцево-глауконитовых песчаников. Мощность 7,85 м. рк = 9957 Ом-м.

-й слой - рк = Ом-м, нижняя граница которого по данным ВЭЗ не устанавливается, слой водонасыщенных песков.

Правая часть 3-й и 4-й кривых осложнена, вероятней всего, помехами. Поэтому, при наличии приповерхностных однородностей, ВЭЗ не всегда дает удовлетворительные результаты.

В простых геологических условиях горизонтально-слоистой среды хорошие результаты дает одномерная интерпретация ВЭЗ, для которой предназначены программы: IPIWin (кафедра геофизики МГУ), RESIX (Interpex) и другие.

Программа IPI2Win может решать одномерные прямую и обратную задачи ВЭЗ для часто применяемых установок на разрезах с контрастом сопротивлений, изменяющимся в широких пределах (от 0.0001 до 10000 для двухслойных моделей).

Прямая задача решается с использованием алгоритма линейной фильтрации. Фильтры получены в лаборатории малоглубинной электроразведки кафедры геофизик Геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Тщательно проверенные фильтры и способ реализация алгоритма обеспечивают быстрое и точное решение прямой задачи для широкого диапазона моделей, пригодных для подавляющего большинства возможных геологических ситуаций.

Для решения обратной задачи используется принцип минимального числа слоев или вариант метода Ньютона минимизации невязки с использованием Тихоновского подхода к регуляризации решения некорректных задач. При регуляризации может использоваться априорная информация о глубинах границ и сопротивлениях слоев. Обратная задача решается независимо для каждой точки ВЭЗ.

Ни в одном методе геофизики неоднозначность количественного решения обратных задач не проявляется так наглядно, как в методе ВЭЗ. Теоретически доказывается, что эквивалентность геоэлектрических разрезов имеет место только в случаях, когда промежуточные пласты обладают весьма малой мощностью, а сопротивления их либо чрезвычайно высоки, либо очень низки. При этом мощность и сопротивление пласта сравниваются с соответствующими параметрами перекрывающих и подстилающих пород.

Однако гораздо большее значение имеет практическая эквивалентность, которая определяется реальной погрешностью полевых измерений ρk (около ±5%) и погрешностями при сравнении полевых кривых ВЭЗ с теоретическими. Как показывает опыт, по кривым вертикального электрического зондирования обычно можно найти лишь отношение мощности i-го слоя (hi), входящего в геоэлектрический разрез, к его сопротивлению ρk ( продольная проводимость Si=hi/pi) либо их произведение (поперечное сопротивление Ti=hipi), а не сами величины hi и pi раздельно.

Таким образом, для изменяющихся в некоторых пределах значений кривые ВЭЗ практически неразличимы, если соблюдается, в зависимости от типа кривой, одно из условий Si= const или Ti=const. Для второго слоя разрезов типов A и H устойчиво определяется продольная проводимость, в этом случае говорят об S-эквивалентности. Для второго слоя разрезов K и Q устойчиво определяется поперечное сопротивление, T-эквивалентность.

Физически (чисто качественно) эта эквивалентность может быть объяснена следующим образом. При переходе из одного пласта в другой ток стремиться течь в последнем либо вдоль напластования (когда ρ1>ρ2<ρ3), либо вкрест ему (когда ρ1<ρ2>ρ3).Следовательно, в первом случае на распространение тока в промежуточном пласте основное влияние оказывает продольная проводимость, а во втором случае - поперечное сопротивление. Это позволяет утверждать, что допустимо некоторое пропорциональное изменение параметров пласта h2 и ρ2, если величины S2 или T2 остаются неизменными и не нарушают электрическое поле у земной поверхности, а значит формы кривых ρк.

Пределы применимости практической эквивалентности, казалось бы, можно сузить повышением точности наблюдений. Так, если бы средняя погрешность измерений ρк при ВЭЗ была тем или иным способом уменьшена от ±(3-5) до ±1%, то можно было бы предположить, что по крайней мере, некоторые геоэлектрические разрезы и отвечающие им кривые ρk=f(AB/2), в настоящее время считающиеся эквивалентными, могут быть разрешены. В результате могла появиться возможность раздельного и однозначного определения обоих параметров слоя - мощности и сопротивления. Однако такое предположение носит чисто академический характер, так как сколько-нибудь значительному повышению реальной (а не фиктивной) точности измерений будут препятствовать неизбежные искажения, обусловленные помехами.

После 1991 г. во многих странах на смену традиционным ВЭЗ пришла новая методика, "сплошных электрических зондирований" - СЭЗ. Методика СЭЗ возникла, когда стало ясно, что при наличии приповерхностных неоднородностей в разрезе применение методики ВЭЗ дает неудовлетворительные результаты. Все неоднородности можно разделить, на приповерхностные и глубинные. Приповерхностные неоднородности (ППН) обычно не представляют интереса и являются геологической помехой. Глубинные неоднородности, как правило, являются объектом поиска. Однако влияние ППН во много раз сильнее глубинных, так как они расположены ближе к точкам возбуждения и измерения поля, и поэтому аномалии от ППН необходимо удалить перед, интерпретацией.

Искажающее влияние ППН может быть двух типов - искажение неоднородностями, расположенными вблизи измерительных электродов (Р-эффект) и вблизи питающих электродов (С-эффект) [11].

Р-эффект проявляется как вертикальный сдвиг всей кривой и ее сегментов по оси сопротивлений без изменения формы (рисунок 19).

Р-эффект возникает за счет изменения плотности тока jMN над неоднородностью (вблизи приемных электродов) по сравнению с плотностью тока в горизонтально-слоистом разрезе j0 . Сопротивление ρk в разрезе выражается формулой:

 (1)

где К - коэффициент установки, ∆U - напряжение, I - сила тока, ρMN - сопротивление измерительной линии, jMN - плотность тока в реальном разрезе; j0 - плотность тока в горизонтально слоистом разрезе. В результате происходит изменение ρk на всей кривой ВЭЗ при положении линии МN над неоднородностью.

Рисунок 19 - Р-эффект - вся кривая ВЭЗ над неоднородностью параллельно смещается без изменения формы [11].

Особенности этого эффекта состоят в следующем:

.        Кривая сдвигается вверх или вниз, причем значения увеличиваются или уменьшаются в k раз в зависимости от локального изменения плотности тока вблизи ППН. На разрезе ρk Р-эффект проявляется как вертикальная аномалия;

.        Значения кажущегося сопротивления ρk теряют связь ρист.;

.        С увеличением разноса кажущееся сопротивление не достигает сопротивления нижнего слоя ρk (r→∞) ≠ ρ3.

С-эффект проявляется в виде заметного искажения кривой ВЭЗ на 1-2 разносах (когда питающий электрод попадает на неоднородность) за счет резкого перераспределения плотности тока в разрезе jMN ( рисунок 20).

Рисунок 20 - С-эффект - локальная аномалия при пересечении неоднородности питающим электродом [11]

С-эффект обладает рядом особенностей, которые делают его еще более опасным, чем Р-эффект:

.        Изменяется форма кривой и кажущееся число слоев на ней;

.        На серии кривых ВЭЗ по профилю он проявляется на разрезе ρk как слой, наклоненный под углом 45°;

.        При стандартной методике зондирований с 4-х электродной установкой Шлюмберже и логарифмическим увеличения разносов, С-эффект может возникать то от электрода А, то от В. При этом на соседних кривых по профилю этот эффект может проявляться нерегулярно, при попадании питающего электрода на неоднородность;

.        Так как амплитуда С-эффекта меньше амплитуды Р-эффекта, то на разрезах ρk он выглядит менее заметным, и, наоборот, хорошо проявляется на псевдоразрезах V-трансформации как наклонная под углом 45° аномалия.

Из анализа искажений кривых вытекает идея сплошных электрических зондирований (СЭЗ), которая состоит в следующем. Так как приповерхностные неоднородности вносят искажения в измерения, то следует минимизировать число попаданий питающих и приемных электродов в эти неоднородности. А поскольку расположение неоднородностей неизвестно, то зондирования выполняют, увеличивая разносы с арифметическим шагом, равным расстоянию между точками измерения на профиле. Это делается для того, чтобы на разных точках ВЭЗ питающие электроды попадали в одни и те же места. Хотя арифметический шаг разносов не согласуется с принципами зондирования горизонтально слоистых сред, в данном случае он необходим для выявления приповерхностных неоднородностей, так как при таком способе измерений искажений от ППН проявляются в поле ρk как регулярная помеха.

Полная модель исследования в методе СЭЗ; включает три основных: горизонтально-слоистую среду (ρkгсс) и трендовые изменения по профилю (ρkРег.гсс), глубинные (ρkглуб) и приповерхностные неоднородности в виде Р- и С-эффектов (ρkР, ρkС), а также некоррелируемый геологический и промышленный шум (ρkшум) [11]

ρkAMN = ρkгсс + ρkРег.гсс + ρkглуб + ρkР + ρkС + ρkшум (2)

При измерениях СЭЗ можно использовать практически любую аппаратуру постоянного тока. На практике используется электроразведочная станция ЭРА.

Цифровой измеритель может работать на частоте 4,88 Гц (клавишей F устанавливается значение Входное сопротивление измерителя 80 МОм. Измеритель позволяет измерять, разницу напряжений в диапазона от 0,3 мкВ до 2 В при температуре от -10 до +50°С Вес прибора составляет З кг.

Аналоговый генератор напряжения ЭРА или цифровой микропроцессорный генератор ИКИ, работают на частоте 4,88 Гц. Генератор ЭРА позволяет возбуждать стабилизированный ток в виде меандра амплитудой от 2 до 200 мА (выходная мощность 15 Вт). Вес генератора ЭРА 3,7 кг. Генератор ИКИ возбуждает стабилизированный гармонический сигнал с амплитудой в максимуме от 1 до 100 мА.

Кроме этого, для проведения работ используются 20 стальных электродов для питающих линий А и В, 2 латунных электрода для измерительной линии MN, a соединительные провода, катушка для устройства «бесконечности С», 2 кувалды, мерная лента.

При проведении работ по методике сплошных электрических зондирований используют трехэлектродную комбинированную установку AMN+MNB (рисунок 21).

Рисунок 21 - Схема полевой установки сплошных электрических зондирований с неподвижной линией MN и двумя косами А и В [11].

Она предпочтительнее, других установок, так как позволяет разделить, аномалий С-эффекта установки АМN и MNB. Комбинированная установка дает два изображения, в которых горизонтально-слоистый разрез проявляется одинаково, а глубинные неоднородности проявляются по-разному. На каждой точке зондирования приемные электроды MN неподвижны, питающие электроды А и В движутся одновременно в разных направлениях с линейным шагом. Шаг установки по профилю равен шагу по разносам и обычно составляет 3-10м.

В ряде случаев .измерений используются две электроразведочных косы А и В, которые подсоединяются к генератору через специальный коммутатор. Косы укладываются вдоль, профиля наблюдений. Коса А устанавливается сзади на малых пикетах, коса В - впереди на больших. «Головы» кос (разъемы) раскатаются в центре всей установки, там, где находится оператор. Измерения начинаются с дальних электродов косы А. После отработки самого дальнего разноса, 10-й электрод передается вперед на косу В. Как только коса А отработана, начинаются замеры с косой В, а голова косы А перетягивается на следующий пикет вперед по профилю. К моменту, когда отработан последний 10-й электрод В, коса А уже должна стоять на новом месте. При этом питающие электроды, кроме последнего на косе А, не переустанавливаются, а процесс укладки кос идет практически непрерывно, независимо от режима работы оператора. Такая технология дает высокую производительность и отличное качество полевых данных. Для обеспечения такой работы требуется четыре человека (оператор, его помощник и два рабочих на косах).

Кривая ВЭЗ изображается как зависимость ρk = f(r), так как это удобно для анализа зондирования горизонтально-слоистое структуры. Модель, изучаемая методикой СЭЗ, более сложная. Для каждого ее элемента (глубинных и поверхностных неоднородностей, Р- и С-эффектов и слоистой структуры) должен иметься свой способ визуализации. Для этой цели был создан программный комплекс IPI-2D, позволяющий изображать данные зондирования в разных видах.

.        Разрезы ρk для AMN и MNB дают общее представление о разрезе, степени его горизонтальной неоднородности и проявлении Р-эффекта.

.        Производная по разносу (V-трансформация) - эффективна для выявления С-эффекта. Дополнительным приёмом является перенос точки записи от середины MN к питающему электроду А или В, когда шаг по разносам совпадает с шагом по точкам ВЭЗ. В этом режиме С-эффект проявляется в виде строго вертикальных аномалий.

В настоящее время основным инструментом исключения: искажений, вызванных приповерхностными неоднородностями, является программа MEDIAN. Алгоритм построен на принципе статистического разложения (декомпозиции) исходного поля на составляющие его аномалии. На первом шаге для каждой строки таблицы находится ее медиана, и затем она вычитается из каждого значения в строке. На втором шаге та же операция применяется к столбцам таблицы. Затем эти шаги периодически повторяются. В результате мы имеем разложение первоначальных данных на три составляющих - "эффекты" строк, столбцов и остатки. Применение алгоритма для обработки данных ВЭЗ имеет свои особенности. Эффект горизонтально-слоистого разреза будет одинаков для всех точек и соответствует "эффекту" строк. Р-эффект будет одинаков для всех разносов в данной точке и проявится в виде "эффекта" столбцов. И, наконец, С-эффект проявляется, в виде линий, наклоненных под углом 450 влево или вправо, в зависимости от типа установки и технологии зондирований. Кроме "эффектов", строк и столбцов в процесс вычислений включили и наклонные линии, соответствующие С-эффекту. Результатом работы алгоритма является разложение исходного поля на несколько составляющих: а) Р- и С-компоненты - связаны с положением подвижных и неподвижных элементов установки; б) HL-компонента - отражают влияние горизонтально-слоистой среды; в) некоторые остатки.

Процедура сглаживания заключается в отбрасывании аномалий приповерхностных Р- и С-эффектов, а также случайных ураганных и локальных отскоков. Этап реконструкции состоит в объединении аномалий горизонтально-слоистого разреза и глубинных неоднородностей.

В подавляющем большинстве случаев после MEDIAN можно проводить обычную послойную интерпретацию, предварительно объединив с помощью программы IPI_2D разрезы AMN и MNB в один разрез кажущегося сопротивления для симметричной установки AMNB

ρk = ½(ρkAMN + ρkMNB) (3)

В случае, если в разрезе кажущегося сопротивления наблюдается влияние глубинных неоднородностей, их изображения могут быть получены с помощью D- и R- трансформаций в программе IPI_2D. D-трансформация по сути является разностью между разрезом ρkAMN и ρkMNB. R-трансформация является производной D-трансформации по координате Х. R-трансформация построена таким образом, что проводникам соответствуют отрицательные, а для высокоомных тел - положительные R-аномалии, горизонтальные размеры которых хорошо совпадают с горизонтальными размерами неоднородностей.

В настоящее время сплошные электрические зондирования применяются при решении разнообразных инженерно-геологических задач. Результаты, полученные с помощью СЭЗ, доказали высокую эффективность метода при детальном изучении сложно-построенных геологических разрезов, когда требуется высокая степень ответственности при принятии проектных и инженерных решений. Чисто из технологических ограничений вытекает, что масштаб съемки, при которой достаточно эффективны СЭЗ, составляет от 1:100 до 1:2000. Максимальная глубинность метода не превышает 100 м.

 

3.2 Комплекс методов изучения сейсмогеологических условий

 

.2.1 Задачи, решаемые при изучении сейсмогеологических условий

Землетрясения по своим разрушительным последствиям, числу жертв и деструктивному воздействию на среду обитания человека занимают одно из первых мест среди других природных катастроф.

Предотвратить землетрясения невозможно, однако их разрушительные последствия и количество человеческих жертв могут быть уменьшены путем создания достоверных карт сейсмического районирования, применения адекватных норм сейсмостойкого строительства и проведения в сейсмоактивных районах долгосрочной политики, основанной на повышении уровня осведомленности населения и федеральных органов об угрозе землетрясений и умении противостоять подземной стихии.

При детальном изучении сейсмогеологических условий требуют решения следующие задачи:

·        детальное литолого-фациальное расчленение отложений верхней части разреза;

·        выявление тектонических трещиноватых и разуплотненных зон;

·        оценка модулей упругости горных пород в их естественном залегании;

·        идентификация сейсмоактивных структур

·        сейсмомикрорайонирование территорий для установления уровня их сейсмической опасности;

·        вероятностный расчет и картирование сейсмической опасности.

Решать поставленные задачи необходимо при помощи комплексирования геофизических методов разведки.

Также как и при изучении инженерно-геологических условий, изучать сейсмогеологические условия необходимо посредством сейсморазведки, электроразведки и др.

 

3.2.2 Комплекс геофизических методов изучения сейсмогеологических условий

При изучении сейсмогеологических условий из сейсмических методов наибольшее значение имеет метод преломленных волн в своей корреляционной модификации. Регистрируемым параметром является скорость продольных Vp и поперечных Vs волн и реже соответственные коэффициенты затухания (ар и as). Метод основан на использовании волн, преломленных на границах горизонтально-слоистой (квазигоризонтальной) среды. Преломление волн возникает, когда Vi+1>Vi, где Vi - скорость в верхней среде, а Vi+1 - в нижней. При этом они превращаются в так называемые скользящие волны. Их фронт, продвигаясь быстрее, чем фронт волн в верхней среде, будет, согласно закону Гюйгенса, непрерывно возбуждать упругие колебания в верхней среде. Эти колебания поступают на поверхность земли. Расстояние от пункта взрыва (удара) до места первого выхода преломленной волны на поверхность земли строго определенно. Оно является функцией глубины залегания данной границы раздела и соотношения скоростей в контактирующих средах. Помимо геометрии границ раздела, метод преломленных волн позволяет определять скорости сейсмических волн, распространяющихся вдоль выделяемых границ.

Наблюдение продольных волн проводят по системе Z-Z (вертикальное возбуждение колебаний и вертикальное расположение сейсмоприемника). Схема У-У (горизонтальное возбуждение колебаний и горизонтальный сейсмоприемник, расположенный перпендикулярно к линии профиля X-X) дает возможность регистрировать поперечные волны. При преломлении и отражении возникают не только чисто продольные и чисто поперечные волны, но и разнообразные типы обменных волн. При этом буквами Р и S обозначаются соответственно продольные и поперечные волны, а индексами при них - среды, в которых они распространяются [12].

В неоднородной среде с постепенно меняющимися свойствами (градиентной среде) образуются рефрагированные волны. Лучи этих волн криволинейны, причем их траектория зависит от закона изменения скоростей распространения упругих колебаний с глубиной. Благоприятные условия возникновения рефрагированных волн существуют в зоне выветривания скальных пород.

В методе преломленных волн наблюдения в большинстве случаев выполняются по продольным прямолинейным профилям. Сейсмоприемники располагаются по профилю с интервалом ∆х, зависящим от требуемой детальности изучения разреза и сейсмогеологических условий. При детальном изучении верхних 15-20 м разреза сейсмоприемники, как правило, расставляются с интервалом 1-2 м. В случае прослеживания кровли скальных пород на глубинах, превышающих 50-100 м, величина ∆х может достигать

м. Получаемые данные позволяют строить годографы, выражающие зависимость t = f(x), где х - расстояние от точки возбуждения колебаний до точки наблюдений; t - время. Годографы используются для решения обратной задачи сейсмометрии - определения положения и формы границ раздела и скоростей распространения колебаний в пласте, т. е. для интерпретации получаемых данных.

Процесс интерпретации заключается в определении двух основных величин: глубины залегания сейсмических границ (или мощностей пластов) и скоростей распространения в них сейсмических волн. Для определения положения границ вдоль профилей на всем их протяжении необходимо иметь системы встречных годографов. В благоприятных сейсмогеологических условиях приближенные вычисления глубин могут быть выполнены по одиночным годографам. На практике широко применяется наиболее простой способ интерпретации (способ t0). Для вычислений глубин используется формула

 (4)

где t0 - время, определяемое продолжением годографа преломленной волны на оси времени; V1, V2 - скорости упругих колебаний в верхнем и нижнем пластах [13].

В случае многослойных разрезов верхняя часть разреза заменяется одним пластом мощностью, равной суммарной мощности вышележащей толщи и характеризующейся некоторой средней скоростью, определяемой по данным каротажа или вертикального сейсмического профилирования (ВСП):

 (5)

где h1, h2,..., hn - мощности отдельных пластов; V1, V2, ..., Vn - скорости распространения в них упругих колебаний. Условием правомерности замены является равенство по вертикали времен пробега волны в слоистой и заменяющей ее однородной средах [13].

По ряду причин, интерпретация по методу t0 оказывается иногда ненадежной. Поэтому разработан ряд более сложных приемов обработки годографов, дающих повышенную точность результатов (метод пластовых скоростей, комбинированный метод и др.). Интенсивно развиваются и машинные методы интерпретации материалов инженерной сейсмометрии. Составлены программы для обработки годографов преломленных волн при использовании метода разностного годографа, t0, сопряженных точек и др. Получил практическое применение набор программ ВСЕГИНГЕО, предназначенных специально для нужд, инженерной сейсмики. Он включает в себя управляющую программу, служебные программы, обрабатывающие процедуры и автономные программы. Использование этого комплекта дает возможность решать обратные задачи для головных, рефрагированных и преломлено-рефрагированных волн с построением сейсмических границ и определением модулей упругости. [14].

При прослеживании преломленных волн применяется многократное перекрытие, обеспечивающие получение детальных временных разрезов. По материалам интерпретации строят сейсмические разрезы. На них наносят положение и форму преломляющих границ и значения граничных скоростей. Следующим этапом является инженерно-геологическое истолкование полученных результатов. Сейсмические границы отождествляются с геологическими и гидрогеологическими, а каждому пласту приписываются инженерно-геологические параметры, найденные с помощью сейсмометрических наблюдений. Результаты площадной сейсмической съемки при прослеживании кровли коренных пород, скрытой под чехлом рыхлых отложений, оформляют в виде карт граничных скоростей или модулей упругости. При этом объединяются в пределах одних участков или зон значения скоростей, попадающие в выбранный заранее интервал. Для литологически однородных пород подобная карта позволяет судить об их относительной сохранности.

В инженерной геофизике метод преломленных волн используется для расчленения геологического разреза вдоль заданного направления как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Применяется он для выделения сейсмических границ в коренных породах и (в меньшей степени) в четвертичных отложениях, нахождения мощности рыхлых отложений, залегающих на более плотных, изучения древних погребенных долин, картирования зон разломов и трещиноватости, определения уровня грунтовых вод и т. д.

Возможности МПВ резко снижаются в случае инверсии скоростного разреза (Vi+1<Vi). При использовании в качестве источника упругих колебаний ударов ручным молотом глубина исследований не превышает 10-15 м. Увеличение ее путем применения взрывов связано с трудностями технического и организационного характера и большими материальными затратами.

Не смотря на то, что метод КМПВ весьма эффективен и высокопроизводителен, он не дает пластовых скоростей, поэтому комплекс методов изучения сейсмогеологических условий должен включать метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП).

В комплекс должны входить, непосредственно, и электроразведочные методы, прежде всего ВЭЗ и СЭЗ, а также электропрофилирование в одной из модификаций, например, ЭП-СГ.

Так как настоящее время характеризуется бурным развитием геофизических методов, комплекс методов изучения сейсмогеологических условий может включать в себя такой метод как электротомография.

Электротомография - это современная модификация метода сопротивлений (ВЭЗ) и вызванной поляризации (ВП). Она состоит из оптимизированной методики полевых наблюдений и соответствующих технологий обработки и интерпретации полевых данных.

Электротомография - это целый комплекс, включающий в себя как методику полевых наблюдений, так и технологию обработки и интерпретации полевых данных. Ее особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одни и те же фиксированные на профиле наблюдений положения электродов. Это приводит к уменьшению общего числа рабочих положений электродов при существенном увеличении плотности измерений по сравнению с обычным методом вертикальных электрических зондирований. Такой подход позволяет с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой стороны, применять эффективные алгоритмы моделирования и инверсии. Интерпретацию данных электротомографии можно проводить в рамках двумерных и трехмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых электроразведкой задач, за счет исследования сред, значительно отличающихся от «классических» горизонтально-слоистых. Благодаря электротомографии и использованию алгоритмов подавления искажающего влияния верхней части разреза, можно повысить качество и одномерной интерпретации [15].

Электротомография основана на применении многоэлектродных электроразведочных кос, подключаемых к аппаратуре, способной коммутировать токовые и измерительные электроды на произвольные выводы кос.

В многоэлектродной аппаратуре (рисунок 22) тоже используется большой набор электродов (обычно от 48 до 96 штук), соединенных в виде электроразведочной косы. В отличие от многоканальных систем каждый электрод может использоваться не только как приемный, но и как питающий. Таким образом, один раз установив и подключив электроды можно провести весь комплекс профильных измерений.

Рисунок 22 - Схема многоэлектродной аппаратуры [16]

Такая технология на порядок увеличивает производительность и разрешающую способность исследований методом сопротивлений, особенно если аппаратура имеет несколько измерительных каналов, позволяющих измерять разность потенциалов одновременно с нескольких приемных линий.

К настоящему времени аппаратурная база и методические аспекты электротомографии хорошо развиты. Серьезно проработана теоретическая основа метода, опубликованы методические приемы и созданы программы для многомерного моделирования и инверсии данных.

Для электротомографии используют разные установки: трехэлектродную, дипольную, установку Венера и др. (рисунок 23).

Рисунок 23 - Стандартные установки, применяемые в электротомографии: а)двухэлектродная, б) Веннера, в) гамма-типа, г)трехэлектродная, д)Шлюмберже, е)Веннера β-типа, ж)дипольная осевая, з)градиентная, и)градиентная срединная [17]

Электроды располагают на поверхности земли и/или в скважинах. Число электродов может быть разным, например, 16, 32, 64, 128 и т.д. Электроды соединяют косами с измерительной аппаратурой и генератором. В соответствии с протоколом измерений в дальнейшем электроды попарно коммутируются для создания электрического поля и измерения напряжения.

Простейшая и недорогая реализация электротомографии основана на использовании серийной одноканальной электроразведочной аппаратуры, например ЭРА, МЭРИ, АНЧ-3. При этом перестановка токовых электродов осуществляется вручную, а коммутация измерительных электродов либо вручную, либо с помощью специального электронного коммутатора, который предварительно программируется. Стоимость кос, коммутатора и программного обеспечения составляет около 200 тыс. рублей. Полная автоматическая коммутация приемных и токовых электродов реализована в электроразведочной аппаратуре компаний IRIS, ABEM и других производителей [18].

Для работ методом электротомографии используются следующий комплекс программ:

. Подготовка протоколов с описанием методики измерений. Обычно такие программы входят в комплект поставки многоэлектродной аппаратуры. Часто эти программы не обладают достаточной гибкостью, поэтому совместно с ними используется программа «x2ipi» [15];

. Программы визуализации, предварительной обработки полевых данных и подавления эффектов приповерхностных неоднородностей [16]. На этом этапе также используются программы, поставляемые с аппаратурой и разработки Московского университета: “MEDIAN”, “MPC”, “x2ipi”;

. Программы автоматической двумерной инверсии, прежде всего в рамках “гладких” моделей [17]. Использование моделей с плавным изменением удельного сопротивления является стандартным способом регуляризации алгоритмов инверсии и позволяет во многих случаях оперативно, без учета априорной информации и даже при минимальной квалификации пользователя получать удовлетворительную интерпретацию данных электротомографии. Такой подход за последние 10 лет получил на западе повсеместное распространение. Наиболее распространенной программой инверсии является программа “Res2dInv” (Geotomo, Малайзия). Отметим также российскую разработку - “ZondRes2D” (СПбГУ, Санкт-Петербург);

. Очевидно, что полностью автоматическая инверсия не всегда удовлетворяет квалифицированного интерпретатора. Поэтому на базе результатов автоматической инверсии рекомендуется проводить подбор в рамках одномерных и двумерных моделей с использованием программ двумерного моделирования: “Res2dMod” (Geotomo, Малайзия), “ie2dp” (МГУ). Такой подбор позволяет наиболее полно учесть априорные данные.

В традиционном методе ВЭЗ работают с кривыми кажущегося сопротивления, которые удобно представлять в виде псевдоразреза кажущегося сопротивлений. В электротомографии часто используют измерения с различными типами установок. Кажущееся сопротивление будет функцией, зависящей не от разноса и пикета, а от положения всех четырех рабочих электродов. Соответственно, все программное обеспечение для электротомографии должно уметь работать с такими типами данных.

Применение двумерной электроразведки целесообразно при всех детальных (масштаб 1:2000 и крупнее) геофизических исследованиях - при инженерно-геологических изысканиях, изучении геологического разреза на малых и средних глубинах.

Несмотря на многочисленное число геофизических методов направленных на изучение сейсмогеологических условий проблема предсказания землетрясений остается одной из сложнейших и трудно разрешимых.

Проблема прогноза сильных землетрясений имеет важное научное и социальное значение. При этом негативные последствия может иметь не только отсутствие прогноза, но и неверный прогноз (ложная тревога). Осуществляются обычно следующие виды прогноза землетрясений: предварительный (прогноз места без указания времени), долгосрочный (годы), среднесрочный (месяцы) и краткосрочный (дни-часы) [18].

Действовавшая до недавнего времени карта уровня прогнозируемой сейсмичности ОСР-78, вошедшая в 1981 г. в строительные нормы и правила, страдает существенными недостатками. Практика показывает, что в пределах России и стран СНГ ежегодно возникают землетрясения, балльность которых на 2-3 единицы превышает уровень сейсмичности, прогнозируемой по карте. Недостатки карты ОСР-78, прежде всего, связаны с неоднородностью сейсмологических, геологических и геофизических данных, использованных при ее создании. Огромные потенциально опасные районы Европейской части России и Сибири фактически не районированы должным образом и в последней карте ОСР-97 [19].

3.3 Выводы и рекомендации

1.      Ограниченность и недостаточность инженерно-геологических исследований на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации гражданских и промышленных объектов приводит к неблагоприятным последствиям, в том числе - предаварийного и критического состояния зданий и сооружений вследствие провалов, оползней, землетрясений и пр. Все это требует значительных экономических затрат на восстановление, а в ряде случаев и ликвидацию их.

.        На участке исследований ВЧР имеет сложное геологическое строение, характеризующееся резкой вертикальной и горизонтальной изменчивостью физико-механических свойств пород и их анизотропией, а также невыдержанностью геологических границ, что требует оптимизации комплекса геофизических методов его изучения.

.        Обоснование рациональности комплекса геолого-геофизических методов исследования инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности, к которым относится Джубгинская ТЭС, заключается в следующем: а) совместно с сейсморазведкой КМПВ должно применяться ВСП, что позволит оптимизировать интерпретационную сейсмогеологическую модель; б) совместно с ВЭЗ должно применяться СЭЗ, которое учитывает латеральную изменчивость геологической среды; в) совместно с ВЭЗ и СЭЗ должна применяться электротомография, которая позволит проводить интерпретацию в рамках двумерных и трехмерных моделей.

Пока нет ответов на многие вопросы, связанные с прогнозом землетрясений, есть только один способ обезопасить себя - расширять и совершенствовать геофизический комплекс исследований СМР и развивать сейсмостойкое строительство на территориях, которые подвержены влиянию сильных землетрясений, в первую очередь для объектов повышенного уровня ответственности типа Джубгинской ТЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объектом исследования данной работы является участок «Джубгинская ТЭС», Туапсинский район, с. Дефановка. В настоящее время, в связи с проведением зимней олимпиады 2014 года, в пределах Краснодарского края осуществляется строительство большого количества объектов энергообеспечения, что требует разработки надежного геолого-геофизического комплекса инженерно-геологических изысканий данных объектов.

На примере участка «Джубгинская ТЭС» рассмотрены вопросы информативности геолого-геофизических методов и даны рекомендации к совершенствованию комплекса методов изучения инженерно-геологических особенностей и оценки сейсмической опасности.

Район работ расположен в пределах Новороссийского синклинория, который является элементом мегаантиклинория Большого Кавказа. Новороссийский синклинорий выполнен мощными толщами мел-эоценового флиша, смятыми в опрокинутые к югу складки, осложненные надвигами и небольшими покровами. Южная часть синклинория вовлечена в опускание Черноморской впадины и косо срезается берегом Черного моря.

В геологическом строении района работ до изученной глубины 40,0 м принимают участие нижнемеловые отложения барремского яруса афипской свиты, перекрытые чехлом четвертичных отложений. Четвертичные образования представлены техногенными, современными элювиальными, делювиальными, морскими и аллювиальными отложениями.

Горные породы, слагающие участок исследования, можно объединить в несколько инженерно-геологических групп: глинистые, терригенные, мергелистые, карбонатные и пирокластические. Данные группы различаются по прогнозным показателям и физико-механическим свойствам. Различие физических свойств данных групп (удельное сопротивление и скорость продольных волн) делает возможным применение методов инженерной геофизики.

Уточнение сейсмогеологических условий проводилось на основе изучения сейсмических, инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей условий строительства на территории с учетом ожидаемого спектрального состава колебаний среды при возможных опасных землетрясениях в районе с. Дефановка. Для решения поставленных задач использовался корреляционный метод преломленных волн (КМПВ).

Количественные характеристики прогнозируемых сейсмических воздействий: аmax=354 - 367 см/с2, Таmax= 0.10 - 0.30 с., при повторяемости такого сотрясения 1 раз в 1000 лет, что соответствует сейсмичности ВОСЕМЬ баллов.

Результатом выполнения квалификационной (дипломной) работы является обоснование комплекса геофизических методов изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности типа Джубгинской ТЭС. В состав этого комплекса включен традиционный метод КМПВ, дополненный ВСП. В комплекс методов рекомендовано включить электроразведочные методы - это традиционный метод ВЭЗ, а учитывая латеральную изменчивость геологической среды также СЭЗ и электротомографию.

Исходя из физических и электрических свойств пород, слагающих участок исследований, в работе были рассчитаны экспериментальные кривые ВЭЗ, разрез кажущегося удельного электрического сопротивления и геоэлектрический разрез в программе Ipi2win. Также была дана геологическая интерпретация экспериментальных материалов ВЭЗ на участке «Джубгинская ТЭС».

В работе изложены физические основы метода СЭЗ, который разработан, при условии наличия приповерхностных неоднородностей в разрезе, когда применение традиционных ВЭЗ дает неудовлетворительные результаты.

Рекомендуемый метод электротомографии необходим при исследовании инженерно-геологических и сейсмогеологических условий изучаемого объекта. Основой для этого служит высокая разрешающая способность метода на небольших глубинах при высокой латеральной неоднородности разреза.

Таким образом, в дипломной работе обосновывается необходимость расширения комплекса геофизических методов исследования инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности типа Джубгинской ТЭС. Повышение эффективности рекомендуемого комплекса сопряженно с необходимостью совершенствования методики полевых работ и ее адаптации под конкретные физико-геологические условия участков исследования, а также применение более совершенных технологий, обработки, интерпретации и аппаратуры рекомендуемых методов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Отчет по инженерно-геологическим изысканиям и уточнению сейсмичности на объекте «Джубгинская ТЭС» / ЗАО «СевКав ТИСИЗ», 2012. - 80 с.

.        Милановский, Е.Е. Геологическое строение Кавказа / Е.Е. Милановский, В.Е. Хайн. - М.: Наука, 1963. - 320 с.

.        Маринин, А.В. Структурные парагенезы Северо - Западного Кавказа / А.В. Маринин, Л.М. Расцветаев // Геология и геофизика. - 2010. - Т. 50, № 2. - С. 191-224.

.        Стогний, В.В. Физика земли / В.В. Стогний, Г.А. Стогний. - Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 2000. - 190 с.

.        Резонансные свойства верхней части разреза / А.Ф. Еманов [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2008. - Т. 51, № 11. - С. 26-36.

.        Заалишвили, В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населенных пунктов и больших строительных площадок /

В.Б. Заалишвили. - М.: Наука, 2009. - 350 с.

.        Никитин, А.А. Комплексирование геофизических методов /

А.А. Никитин, В.К. Хмелевской. - Тверь: ГЕРС, 2004. - 292с.

.        Стогний, В.В. Электроразведка: принципы измерения и аппаратура /

В.В. Стогний. - Краснодар: Изд-во Кубанского гос. ун-та, 2009.

.        Отчет по инженерно-геологическим изысканиям на объекте «Джубгинская ТЭС»/ ЗАО «СевКав ТИСИЗ», 2011. - 77 с.

.        Электроразведка / сост. В.К. Хмелевской, отв. ред.

И.Н. Модин. - М.:Недра, 2005.

.        Огильви, А.А. Основы инженерной геофизики / А.А. Огильви. - М.: Наука, 1990. - 502 с.

.        Телегин, А.Н. Сейсморазведка методом преломленных волн /

А.Н. Телегин. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. - 187 с.

.        Боганик, Г.Н. Сейсморазведка / Г.Н. Боганик, И.И. Гурвич. - Тверь: АИС, 2006. - 744 с.

.        Шкабарня, Н.Г. Электрическая томография при инженерно-геологических изысканиях / Н.Г. Шкабарня, Б.Е. Голованов, В.В.Горелов // Вестник отделения строительных наук. - 2006. - №10. - С. 262-271.

.        Возможности и перспективы электрической томографии при детальном изучении геологической среды // ГеоИнжиниринг. - Краснодар: изд-во «ИнжГео». - 2006. - №1. - С. 48-51.

.        Шкабарня, развитие метода электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей: автореф. дис. … канд. геол.- минерал. наук / Шкабарня Григорий Николаевич. - Владивосток, 2007. - 14 с.

.        Стогний, Г.А. Геофизические поля восточной части Северо-Азиатского кратона / Г.А. Стогний, В.В. Стогний. - Якутск, 2005. - 174 с.

.        Бяков, А.Ю. Разработка технологии многопараметрового сейсмической активности Азово-Черноморского региона комплексом геолого-геофизических методов: автореф. дис. … канд. геол.-минерал. наук / Бяков Алексей Юрьевич. - Краснодар, 2010. - 22 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица А. 1 - Каталог землетрясений вблизи с. Дефановка

№	Дата д м год	t 0 ч мин с	Эпицентр		h, км	M	I0 балл	Примечание (землетрясения)
			φ○, N	λ○, E
1	04.06.1937	20 33 44	44.4	38.6	7	4.0	6	Развитие Туапсинского роя к северо-западу
2	24.11.1997	6 13 17	44.37	38.95	20	2.4
3	04.04.2007	15 46 32	44.64	39.08	3	2.7
4	27.12.2007	04 39 58	44.49	38.87	15	2.7
5	04.01.2011	04 28 17	44.3	38.36	10	3.2	4-4.5	Развитие Туапсинского роя к северо-западу

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Таблица Б. 1 - Ведомость приращений балльности рассчитанных МСЖ

№ профиля	ПК	Средневзвешенные параметры изучаемой толщи				Приращение балльности, DI			I, приращение DI	Сейсмичность по шкале MSK I (для объектов I уровня ответственности), балл
		Vp, м/с	Vs, м/с	Vp/Vs	r,г/см3	DIp, балл (по Vp)	DIs, балл (по Vs)	DI, балл (за воду)
СП01	20	677	329	0.49	2.16	-0.09	-0.1	0.49	0.39	8
	60	737	314	0.43	2.27	-0.19	-0.09	0.5	0.4	8
СП02	20	964	393	0.41	2.31	-0.4	-0.22	0.46	0.18	8
	60	917	362	0.39	2.24	-0.34	-0.19	0.5	0.31	8
СП03	20	800	293	0.37	2.16	-0.21	-0.01	0.43	0.42	8
	60	836	280	0.33	2.1	-0.22	0.04	0.46	0.5	8
СП04	20	1127	343	0.30	2.17	-0.47	-0.13	0.5	0.37	8
	60	1038	281	0.27	2.17	-0.41	0.02	0.5	0.52	8
СП05	20	895	272	0.30	2.16	-0.3	0.04	0.46	0.5	8
	60	949	301	0.32	2.13	-0.33	-0.02	0.49	0.47	8
СП06	20	940	365	0.39	2.15	-0.33	-0.17	0.45	0.28	8
	60	1176	360	0.31	2.06	-0.46	-0.12	0.46	0.34	8
СП07	20	984	385	0.39	2.07	-0.33	-0.18	-	-0.51	7
	60	1268	345	0.27	2.21	-0.57	-0.15	0.34	0.19	8
СП08	20	1121	302	0.27	2.15	-0.45	-0.03	0.5	0.47	8
	60	1126	345	0.31	2.18	-0.47	-0.13	0.47	0.34	8
СП09	15	762	191	0.25	2.09	-0.15	0.33	-	0.18	8
	45	886	381	0.43	2.1	-0.27	-0.18	0.49	0.31	8

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Рисунок В. 1 - Акселерограммы на грунтах площадки строительства