Исследование аномального участка деградации многолетней мерзлоты в основании земляного полотна

Введение

При освоении холодных регионов в условиях распространения многолетнемерзлых пород (ММП), могут возникать ситуации их деградации на отдельных участках вследствие ошибочного принятия проектных решений или их неправильной реализации на исполнительной стадии. В этих случаях этом кровля ММП может иметь не только относительно ровную и плавную поверхность, но иметь участки локальных резких понижений в местах перехода к талым породам и наоборот. Часто необходимо оперативно обследовать такие участки, с целью выяснения положения кровли ММП и ее формы, что, однако, вызывает некоторые затруднения, связанные с геометрическими и физическими особенностями поперечных разрезов земляных сооружений.

Из сейсмических методов инженерно-геологических и, в том числе, мерзлотных исследований наибольшее практическое применение находит метод преломленных волн (МПВ). Измерения проводятся путем продольного сейсмического профилирования с методикой наблюдений, обеспечивающей получение системы встречных и нагоняющих годографов. При переходе от мерзлых пород к талым наблюдается резкое уменьшение скорости упругих волн (средних, граничных или пластовых) и резкое увеличение нулевого времени, отвечающего преломляющим границам, которые находятся ниже сезонно-талых пород. Вместе с тем, сейсморазведку нельзя отнести к числу ведущих традиционных методов картирования мерзлотных границ вследствие ее относительной трудоемкости (по сравнению, например, с электроразведочными методами) и невозможности непрерывных измерений при плохом акустическом контакте. Тем не менее, преимуществом сейсмических методов перед электрическими является их вариативность по данным измеренных скоростей волн, углов преломления и отражения, коэффициентов затухания и других динамических и геометрических характеристик получаемых сигналов, периодов регистрируемых колебаний, связанных с ними длин регистрируемых волн, которые, так или иначе, отвечают за особенности исследуемой геологической среды. Кроме того, при использовании соответствующих приемов наблюдений и обработки можно получать непрерывное распределение скоростей волн по заданному сечению с последующим их пересчетом в физико-механические свойства, таких как модуль общей деформации, коэффициент Пуассона и другие функционально или корреляционно связанные с ними характеристики грунтов ^[2].

Как будет показано ниже, сейсмоакустические методы можно эффективно применять при решении ряда специфических задач при инженерно-геологических изысканиях оснований сооружений, находящихся в районах распространения многолетней мерзлоты. К числу таких сооружений относится земляное полотно в пределах северного широтного хода Транссибирской магистрали ^[4].

На многих насыпях наблюдаются значительные вертикальные и горизонтальные деформации, связанные с деградацией многолетней мерзлоты в их основании. Для оценки масштаба деградации многолетней мерзлоты, по причине которой происходят просадки основания земляного полотна, были проведены сейсмоакустические работы на одном из разъездов, расположенном в пределах северного широтного хода Транссибирской магистрали. Задача исследований состояла в определении глубины залегания кровли мерзлых пород под земляным полотном и в прилегающей к нему полосе и ее конфигурации. Так как эти работы на данном участке проводились впервые, то, в начале были решены задачи опытно-методического характера, связанные с определением параметров систем наблюдений, учитывающих особенности волнового поля, оптимальных режимов регистрации полезных волн и способов интерпретации. Кроме того, в экспериментальную часть исследований входило сейсмическое просвечивание (сейсмическая томография) насыпи, высотой 4 м, с последующим построением распределения скоростей продольных волн по поперечному сечению.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Участок исследований расположен в межгорной впадине, которая заполнена аллювиальными отложениями и сложена средне- и позднечетвертичными (allQII-III) песками, галечниками, глинами и современными (allQIV) песками от мелко- до крупнозернистых, галечниками, суглинками, торфяниками, илами. По ландшафтно-климатическим условиям район относится к области развития островной многолетней мерзлоты. Многолетние мерзлые породы имеют мощность 20–60 м ^[1]. Земляное полотно имеет поперечный профиль в виде насыпи, высотой от 2 до 10 м, расположено между двумя небольшими водотоками. Лог между этими водотоками, имеющий в плане форму близкую к треугольной и юго-западной экспозиции, является площадью, с которой собираются дождевые и талые воды. Для регулировки поверхностного стока сооружены водоотводные валики с верховой стороны насыпи. Скопление воды с верховой стороны водоотводных валиков и насыпи приводит к деградации многолетней мерзлоты под ними.

Геолого-структурная модель геокриологического разреза для участка работ включает слой талых рыхлых пород, мощностью от метра до нескольких метров, залегающих на мерзлых рыхлых породах ^[3]. Скорость продольных волн в мерзлых породах в несколько раз выше, чем в рыхлых, что обеспечивает образование в кровле мерзлых пород интенсивной преломленной волны.

Для данной модели и поставленных задач сейсмоакустические работы, для создания первоначального соответствия геометрической сейсмике ^[5], были выполнены методом преломленных волн (МПВ). Сеть сейсмических профилей включала поперечные профили (пересекающие ось пути в перпендикулярном направлении) и продольные профили по берме с нагорной стороны, а также пробные «параметрические» зондирования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения работ использовались цифровые сейсмостанции “Сейсмолог 8/24” с 24-разрядными АЦП и возможностью накопления полноразрядных записей. Для обеспечения приема сейсмических колебаний применялись одиночные геофоны с характеристиками, обеспечивающими эффективное использование цифровой регистрации. Видимый период возбуждаемой ударами кувалды продольной волны изменялся в зависимости от поверхностных условий, но, в большинстве случаев, соответствовал интервалу частот 80-120 Гц. Шаг между сейсмоприемниками при отработке профилей был выбран 5 м, а при «параметрических» зондированиях сокращался до 1-2,5 м. Длина годографов составляла 70-100 м, выносные пункты возбуждения волн располагались на удалениях 20-30 м. Полученная таким образом система наблюдений обеспечивала регистрацию и полное определение характеристик преломленных волн в диапазоне глубин необходимом и достаточном для решения поставленных задач по определению глубины залегания и конфигурации кровли мерзлых грунтов. При этом, предусматривалась возможность использования варианта метода отраженных волн (МОВ) для аномального участка концентрированного стока подземных вод.

Решалась задача определения глубины залегания кровли мёрзлых пород под земляным полотном и в прилегающей к нему полосе. Работы МПВ производились с использованием волн типа P (продольных волн) и зондированием по системе ZZ, при которой направление удара соответствует вертикальной рабочей оси геофонов, расположенных в системе продольного профиля. Использование встречных и нагоняющих годографов, как это показано на рис. 1, с их увязкой во взаимных временах является необходимым граничным условием при отождествлении исследуемых преломляющих границ (в данном случае кровли мерзлых пород), даже при их сложной конфигурации. Определение средних скоростей до преломляющей границы традиционно проводилось по точке пересечения прямой и преломленной волн, при этом значение средней скорости контролировалось в зависимости от участка профиля. Граничные скорости в кровле мерзлоты рассчитывались способом разностного годографа, построенного по встречным годографам головной волны ^[5]. Построение преломляющей границы проводилось способом нулевого времени (tо), а в случае отсутствия пары встречных годографов (оборудование импульсного пункта возбуждения волн в условиях болотистой местности, «мари», не всегда представлялось возможным) - по одиночному годографу с опорой на значение tо полученного с использованием нагоняющих годографов и использованием априорного разностного годографа, построенного экстраполяцией экспериментальных значений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Представленные на рис. 1 годографы по форме значительно отличаются от «классических», используемых при построении преломляющих границ. В частности, в середине профиля наблюдается резкое уменьшение времени пробега волны, связанное с наличием подземной депрессии с крутопадающими бортами. Тем не менее, разностный годограф и линия tо выглядят вполне адекватно.

Рис. 1. Годографы преломленных волн (t>, t< - встречные годографы, tP – разностный годограф, t0 – линия нулевого времени)

При их построении был использован вариант обработки, основанный на применении комплексных чисел при расчетах углов преломления головных волн и глубины до преломляющей границы.

В результате получены сейсмические разрезы МПВ, один из которых представлен на рис. 2. Кровля мерзлых пород характеризуется величиной граничной скорости VP=3580 м/с, средняя скорость в верхнем слое VP=500 м/с. Сейсмопросвечивание насыпи с шагом между сейсмоприемниками в 5 м (на интервале профиля 25–40 м) дало для примерно двухметрового слоя насыпи Vp=800 м/с. Кровля мерзлых пород на глубине около 15 м, судя по интерпретации разностного годографа, претерпевает разрыв в интервале профиля 15-35 м, то есть выделяется талая зона. Скорость VР в ней 1600 м/с, что соответствует обводненным рыхлым породам.

Если исходить из предположения об ограничении на глубину слоя мерзлоты, то мощность этого слоя не менее 10-15 м. Таким образом, на профиле выявляется чаша протаивания, центр которой расположен под нижней кромкой бермы и имеет очень крутые борта.

Рис. 2. Сейсмический разрез методом преломленных волн аномального участка.

ВЫВОДЫ

Сейсмоакустические исследования основания земляного полона методом преломленных волн обеспечивают картирование кровли мерзлых даже при сложной ее конфигурации. Система наблюдений при шаге между сейсмоприемниками в 5 м и между пунктами возбуждения в 30-60 м должна предусматривать получение встречных и нагоняющих годографов. Для уточнения конфигурации выявленных чаш протаивания необходимо отрабатывать перпендикулярные укороченные профиля при необходимости проходящие и вдоль осевой части полотна. Для детального расчленения разреза необходимо переходить на многократные системы наблюдений с шагом между сейсмоприемниками в 2 м. Сочетание метода преломленных волн и сейсмоакустического просвечивания земляного полотна дает возможность получать геокриологические разрезы с непрерывным распределением упругих характеристик грунтов.