по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Порядок рецензирования статей > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Публикация за 72 часа: что это? > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат > Редакционный совет > Редакция
Журналы индексируются
Реквизиты журнала
Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Арктика и Антарктика
Правильная ссылка на статью:

Исследование аномального участка деградации многолетней мерзлоты в основании земляного полотна.

Малеев Дмитрий Юрьевич

кандидат геолого-минералогических наук

доцент кафедры "Мосты, тоннели и подземные сооружения" Дальневосточного государственного университета путей сообщения

680021, Россия, Хабаровский Край край, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, каб. 2203

Maleev Dmitry

PhD in Geology and Mineralogy

Docent, the department of Bridges, Tunnels and Underground Structures, Far Eastern State Transport University

680021, Russia, Khabarovskii Krai krai, g. Khabarovsk, ul. Serysheva, 47, kab. 2203

mdy@list.ru
Квашук Сергей Владимирович

доктор геолого-минералогических наук

профессор кафедры "Мосты, тоннели и подземные сооружения" Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

680021, Россия, Хабаровский край, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, каб. 2203

Kvashuk Sergey

Doctor of Geology and Mineralogy

Professor, the department of Bridges, Tunnels and Underground Structures, Far Eastern State Transport University

680021, Russia, Khabarovskii krai, g. Khabarovsk, ul. Serysheva, 47, kab. 2203

s_kvashuk@mail.ru

Аннотация.

Объектом исследования являются аномальные участки деградации многолетней мерзлоты в основании земляного полотна. В таких случаях, кровля мерзлоты приобретает сложную конфигурацию, образуются ее крутые борта и зеркала надмерзлотных вод. Авторы предложили новый способ их изучения сейсмическим методом (0,5-1,0 кГц). Предлагаемая модификация сейсмического метода основана на совместном применении головных и отраженных волн по годографам первых вступлений при их сложной конфигурации с учетом запредельных углов преломления в бортах депрессии. Годографы преломленных волн решены с применением комплексных чисел, при этом их геометрия осталась традиционной – метод нулевого времени для определения глубины преломляющей границы и разностного годографа для расчета скоростей в кровле депрессии. Получен и апробирован модифицированный сейсмический способ изучения аномальных участков деградации многолетней мерзлоты под земляными сооружениями в холодных регионах. Он позволяет картировать локальные зоны депрессий с крутыми бортами под насыпями, возникшие в результате нарушения производственного цикла транспортных систем или нормальной эксплуатации зданий и сооружений, построенных в таких условиях. Наземные сейсморазведочные работы методом преломленных волн (МПВ), в частности, выполняемые способами нулевого и разностного годографа, имеют потенциал для модификации в зависимости от решаемых задач. В условиях запредельных углов преломления головных волн, задачи по определению подземных депрессий решаются математически с применением комплексных чисел, при этом базовые условия МПВ, такие как увязка годографов во взаимных временах и точность определения средних скоростей остаются неизменными.

Ключевые слова: земляное полотно, многолетняя мерзлота, кровля мерзлоты, деградация, локальные аномалии, преломленные волны, годограф, сейсмоакустические исследования, упругие волны, преломляющая граница

DOI:

10.7256/2453-8922.2019.1.29380

Дата направления в редакцию:

31-03-2019


Дата рецензирования:

31-03-2019


Дата публикации:

21-04-2019


Abstract.

The object of this research is the exploration of anomalous sections of permafrost retreat at the soil baseline. In such cases, the apex of soil frost attains a complicated shape, forming the steep edges and mirrors of subpermafrost water. The authors propose a new  method of seismic survey  (0.5-1.0 kHz). The suggested seismic method modification is based on the joint application of the refracted and reflected waves in accordance with time curves of first onsets in their complicated shape, considering the below-cutoff angles of retraction within the depression. The time curves of the retracted waves were solved using the complex numbers; while their geometry remained traditional – the null time method  for determining the depth of refracting boundary and differential time curves for calculating velocities in the apex of depression. The modified seismic survey for studying the anomalous sections of permafrost retreat under the earth structures in cold regions was obtained and tested in the course of the research. It allows mapping out the local depressions with steep edges under embankments, occurred due to violation of the production sequence of transportation systems or normal exploitation of the structures built in such conditions. The surface seismic surveying using the method of retracted waves, and particularly, conducted via the null and differential time curve have a potential for modification depending of the current objectives. In the conditions of below-cutoff angles of waves retraction, the tasks on determining the subsurface depressions are solved mathematically, with application of complex numbers; at the same time, the basic conditions for the method of retracted waves, such as coordination of time curves in mutual duration and the precision of determination of the average velocities remain unchanged.  

Keywords:

time-travel graph, refracted waves, local discontinuities, degradation, top of permafrost, permafrost, subgrade, seismoacoustic studies, elastic waves, refracting boundary

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 (all QII-III) песками, галечниками, глинами и современными (all QIV) 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.

Библиография
1.
Государственная геологическая карта СССР. Масштаб 1: 200000. Серия Хингано-Буреинская. Лист М-52-VI. Составил В.Е. Чепыгин. Редактор В.К. Путинцев. М., Недра, 1972 г.
2.
Ляховицкий Ф.М., Хмелевской В.К., Ященко З.Г. Инженерная геофизика. М.: Недра, 1989, 252 с.
3.
Методические рекомендации по применению сейсмоакустических методов при изучении инженерно-геологических условий на БАМе. ВНИИТС, М., 1977, 49 с.
4.
Павлов О. В., Джурик В.И., Дренов А.Ф. и др. Геология и сейсмичность зоны БАМ. Инженерная геология и инженерная сейсмология . Новосибирск: Наука, 1985, 192 с.
5.
Шерифф Р., Гердалт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т. 1. Пер с англ. М.: Мир, 1987, 448 с.
References (transliterated)
1.
Gosudarstvennaya geologicheskaya karta SSSR. Masshtab 1: 200000. Seriya Khingano-Bureinskaya. List M-52-VI. Sostavil V.E. Chepygin. Redaktor V.K. Putintsev. M., Nedra, 1972 g.
2.
Lyakhovitskii F.M., Khmelevskoi V.K., Yashchenko Z.G. Inzhenernaya geofizika. M.: Nedra, 1989, 252 s.
3.
Metodicheskie rekomendatsii po primeneniyu seismoakusticheskikh metodov pri izuchenii inzhenerno-geologicheskikh uslovii na BAMe. VNIITS, M., 1977, 49 s.
4.
Pavlov O. V., Dzhurik V.I., Drenov A.F. i dr. Geologiya i seismichnost' zony BAM. Inzhenernaya geologiya i inzhenernaya seismologiya . Novosibirsk: Nauka, 1985, 192 s.
5.
Sheriff R., Gerdalt L. Seismorazvedka: V 2-kh t. T. 1. Per s angl. M.: Mir, 1987, 448 s.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"