Геокриологические задачи (original) (raw)

Геокриологические задачи

В процессе эксплуатации инженерных сооружений, построенных в условиях вечной мерзлоты, могут возникать негативные геокриологические процессы. Образующиеся талики, зоны просадок и суффозий, трещины могут привести к нарушению целостности построек и их разрушению. Существующая система скважинного термоконтроля оснований сооружений не дает достаточной информации о состоянии грунтов в районе сооружений. Причиной тому является недостаточная плотность сети термометрических скважин. Кроме того, отрицательные значения температур не всегда свидетельствуют о мерзлом состоянии грунтов. Соответственно появляется необходимость в дополнительных методах исследования, и здесь на первое место выходит георадиолокация.

На рисунке ниже показан георадиолокационный профиль, полученный в зоне развития негативных геокриологических процессов. Профилирование проводилось в конце августа на территории Якутии. На профиле показано положение термометрических скважин с результатами измерений, полученных в различные времена года.

Визуальный анализ волновой картины георадарного профиля выявляет малое количество дифрагированных отражений, порождённых подповерхностными локальными объектами. По годографам дифрагированных волн производится расчёт скоростей распространения зондирующего импульса георадара и, далее, по известной формуле, рассчитываются значения диэлектрической проницаемости исследуемой среды.

Неоднородную подповерхностную среду можно представить в виде множества равномерно распределённых в пространстве локальных объектов-отражателей, порождающих дифрагированные волны. Например, грунты, как правило, содержат множество вкраплений, размер которых сопоставим с длиной волны зондирующего импульса георадара. Однако подавляющее большинство отражений от этих объектов имеют слабую интенсивность и теряются на фоне помех и шумов. Происходит это потому, что электрофизические характеристики таких точечных объектов не сильно отличаются от характеристик вмещающей их среды.

В случае малого количества визуально различимых дифрагированных отражений затруднительно создать достоверную модель, отражающую все особенности строения разреза. Алгоритм автоматизированного анализа поля обратного рассеяния (ПОР), реализованный в программном комплексе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ, способен распознать и измерить характеристики существующих, но замаскированных более интенсивными сигналами, дифрагированных отражений и построить достаточно достоверную модель – разрез того или иного атрибута среды или волнового поля.

На рисунке ниже показан разрез атрибута “действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости”, который создан в ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ на основе результатов автоматизированного анализа ПОР георадарного профиля, рассматриваемого в данном разделе. Растеплённый грунт отображается жёлто-красными оттенками, мёрзлый грунт – оттенками синего цвета.

Зная диапазон значений диэлектрической проницаемости, характерный для мёрзлых грунтов (3 – 5) можно уверенно выделить мёрзлые и оттаявшие области разреза.

Примечание: на представленном разрезе область мёрзлого грунта имеет несколько завышенные значения диэлектрической проницаемости. Это происходит потому, что значение скорости волны (на основе которого рассчитывается диэлектрическая проницаемость), измеренное по годографу дифрагированного отражения, является средним значением для диапазона глубин от дневной поверхности до глубины залегания локального отражателя. А так как верхний слой разреза является талым и имеет более высокий, по сравнению с мёрзлыми грунтами, диапазон значений диэлектрической проницаемости, то и область ниже лежащего мёрзлого грунта на разрезе будет иметь завышенные значения диэлектрической проницаемости.

Несомненно, разрез атрибута, рассчитанный на основе результата автоматизированного анализа ПОР более информативен, чем волновая картина георадарного профиля – внутри талого слоя можно выделить наиболее влажные участки грунта и оценить степень угрозы негативного геокриологического процесса для близлежащих сооружений.

Материалы, представленные далее, были получены в ходе георадиолокационного исследования промплощадки рудника, расположенного на территории Якутии с целью обнаружения талика в многолетнемёрзых грунтах. В результате обработки полевого материала в программном комплексе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ были получены разрезы атрибута “действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости”, из которых была сформирована 3D сборка, сечения которой позволили составить представление о состоянии грунтов исследуемого участка.

На рисунке ниже показана 3D сборка с ортогональным вырезом верхней четверти куба. Области повышенных значений диэлектрической проницаемости отображены синим цветом и соответствуют оттаявшим грунтам. Красным цветом показаны области с низкими значениями диэлектрической проницаемости и соответствуют мёрзлым грунтам.

Далее, представлено горизонтальное сечение 3D сборки на глубине 4 метра, наложенное на план площадки исследования. Синий цвет сечения – оттаявший грунт, красный цвет – мёрзлый грунт.

Далее показаны вертикальные сечения 3D сборки по осям 1-1 и 2-2. Положение сечений показано пунктирной линией на рисунке выше.

На основании анализа сечений можно сделать вывод, что на некоторых участках площадки исследования, зона оттаивания проникает вглубь многолетнемёрзлых грунтов на глубину до 6 метров и может быть причиной нарушения целостности строений промплощадки. Очевидно, что без помощи программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕР было бы сложно получить столь подробные и наглядные результаты изучения состояния многолетнемёрзлых грунтов.