Вернуться

Инженерная геофизика

Карамкенская ГГЭ специализируется на проведении геофизических исследований гидротехнических сооружений, построенных в условиях Крайнего Севера на "вечной мерзлоте".

Данные геофизических наблюдений помогают предприятию в прогнозировании и предотвращении аварийных ситуаций.

Одна из основных причин аварий - это возникновение, не предусмотренной проектом, фильтрации в теле плотины или дамбы. Фильтрация усиливает процесс теплообмена, приводит к "растеплению" грунтов тела дамбы и основания под ним. Сооружение теряет свою устойчивость, происходят осадки, деформации и обрушения горной породы.

И как самый неблагоприятный вариант развития событий – это разрушение целостности сооружения, прорыв дамбы. Нарушение технологического процесса приведет к упущению прибыли предприятия, значительным денежным затратам на ликвидацию аварии и восстановительные работы.

Как не допустить такое развитие событий?

Для отслеживания состояния дамбы проводятся регулярные работы: натурные наблюдения, маркшейдерская съемка, гидрохимические анализы и термометрия в скаважинах. Как видно, комплекс исследований довольно широк и должен обеспечивать необходимую безопасность сооружения.

Зачем все же включать в общий мониторинг еще и геофизические исследования?

Дело в том, что методами, которыми располагает предприятие, регистрируют изменения в предаварийной, либо уже аварийной ситуации. Например, геохимические пробы грунта ниже уровня дамбы покажут, что фильтрация уже происходит, а маркшейдерская съемка расскажет о том, что процесс зашел уже слишком далеко, раз начались необратимые процессы:смещение грунта, просадки и разрушение дамбы.

Прогнозирование возможных аварийных процессов является основной задачей мониторинга дамбы, и в этом могут помочь геофизические исследования.

По изменению физических параметров тела дамбы или плотины можно предсказать вероятные зоны растепления и фильтрации.

Какие же именно физические параметры дают информацию об этом состоянии?

При строительстве дамбы на "вечной мерзлоте" создается мерзлотная завеса, позволяющая сохранить рыхлые (насыпные) грунты тела дамбы в мерзлом состоянии и за счет этого дамба и выполняет свои противофильтрационные свойства, поэтому основным физическим параметром для изучения дамбы является температура.

Прямой метод измерения температуры в теле объекта – это термометрия в скважинах. Но и здесь есть свои недостатки такие, как при проходке скважин нарушается целостность сооружения, что может спровоцировать фильтрацию, да и данные о температуре мы получаем только в околоскважинном пространстве и не знаем, что происходит во всем теле дамбы. А геофизические исследования как раз и могут дать нам объемное представление о состояния всей дамбы, ее примыканий и основания.

Сопротивлние горных пород, которое измеряют геофизики, зависит от температуры. Так при переходе грунта в мерзлое состояние сопротивление резко увеличивается, особенно это характерно для рыхлых (насыпных) грунтов, которыми сложено тело дамбы.

Измерев сопротивление, мы сделаем выводы о температуре горных пород, ее изменении и процессах, происходящих на объекте исследований.

Прогнозирование зон фильтрации. Айхал, Якутия.

Для наглядности изменения значений сопротивления и связанной с ней температуры приведем пример двухгодичных наблюдений на ограждающей дамбе горного предприятия ОАО АК «Алроса». На рисунке представлен план изолиний сопротивления по данным электромагнитного профилирования. Синий цвет соответствует высоким значениям сопротивления (мерзлые породы), красный цвет – низким значениям сопротивления (талые породы). Какая же информация здесь заключена? На плане изолиний второго года (2004) исследований мы видим, что в центральной части (D и C) красный цвет стал более насыщенным, уменьшение сопротивления, говорит о повышение температуры рыхлых (насыпных) грунтов и на основании этого, позволило нам прогнозировать некоторое развитие фильтрации на этих участках через насыпные породы дамбы. Предприятие по результатам работ получило информацию о реальном состоянии сооружения, ослабленных местах с объяснением причины происходящего и рекомендациями по исправлению ситуации. У компании есть достаточно времени для проведения профилактических работ пока ситуация не стала более серьезной и не привела к аварийным последствиям.

Прорыв ограждающей дамбы. Трагедия в п.Карамкен Магаданская обл.

Во время паводка, вызванного ливневыми дождями, 29 августа 2009 года произошел прорыв ограждающей дамбы Карамкенского хвостохранилища повлекший за собой катастрофические последствия и унесший с собой человеческие жизни. Трагедии можно было избежать при условии проведения регулярных наблюдений за состоянием гидротехнического сооружения. В 1997 году Карамкенское горное предприятие прекратило свою деятельность, промышленные объекты, представляющие опасность, остались без должного внимания, в том числе и хвостохранилище, с ядовитыми отходами производства. В сентябре 2005 года нами были проведены геофизические исследования на ограждающей дамбе Карамкенского ГОКа с целью выявления ослабленных и водофильтрующих участков сооружения. Какие результаты мы получили, и как это могло бы предотвратить трагедию? Ниже представлен разрез сопротивления с геологическими данными. На рисунке синий цвет соответствует высоким значениям сопротивления (мерзлые породы), красный цвет – низким значениям сопротивления (талые породы). На колонках скважин оттенки коричневого цвета – насыпные грунты (супесь, суглинок, галечник), оттенки зеленого – коренные породы (туфы андезитов и базальтов).

Мы видим, что в основании дамбы в коренных породах выделяются зоны пониженного сопротивления (А и В). Породы находятся в талом, ослабленном состоянии. Происходит процесс растепления тела дамбы и ее сохранность становится под угрозой. Профилактические работы по геофизическим данным не были проведены и прорыв дамбы (проран) произошел именно там, где и было отмечено водонасыщение пород (зона А). Породы были ослаблены и не смогли выдержать экстремальной нагрузки. События, повлекшие за собой аварию, в августе 2009 выглядели следующим образом: во время прохождения паводка поднялся уровень грунтовых вод, произошел подмыв основания сооружения (ослабленной зоны) с выносом грунта. В то же время ложе хвостохранилища переполнилось водой, следствием чего стал перелив через гребень дамбы. В результате смыкания воды верхнего и нижнего примыкания дамбы (бьефов) произошел частичный обвал сооружения.

Геофизический мониторинг. Кубака. Магаданская область. 1998-2006 г.

Мониторинг гидротехнических сооружений рудника Кубака проводился в течение десяти лет. Взаимодействие между службой предприятия и геофизиками было успешным. Рассмотрим причины, по которым предприятие решило пригласить нас, и в чем же заключалось это взаимодействие.

1997-1998 гг.
С момента ввода в эксплуатацию водоудерживающей дамбы прошло немного времени, состояние сооружения еще не стабилизировалось, поэтому влияние неблагоприятных климатических условий (теплая зима 1996 года, обилие осадков) вызвало опасение об ухудшении свойств объекта. В результате было принято решение провести геофизические исследования по изучению мерзлотно-гидрогеологического состояния дамбы. На рисунке представлены результаты электропрофилирования. Синий цвет соответствует высоким значениям сопротивления (мерзлые породы), красный цвет – низким значениям сопротивления (талые породы).

На рисунке видно, что тело водоудерживающей плотины имеет неоднородное температурное строение. В юго-западной части дамбы, на глубине около 10-15 метров (на данной глубине по маркшейдерским данным расположено замороженное основание плотины) выделена область аномально низких сопротивлений, которая характеризует породы с положительной температурой. Наличие зон возможного растепления в основании плотины поставило вопрос о динамике этого процесса. Было принято решение о систематическом наблюдении за температурным состоянием водоудерживающей дамбы, используя совместно с данными термометрии, результаты геофизического мониторинга В тот же период (март-апрель 1998 года) специалистами компании был предпринят ряд мер по укреплению и замораживанию тела и грунтов основания дамбы. Для обеспечения водонепроницаемости дамбы наряду с существующей лайнерной пленкой, с помощью системы охлаждающих скважин (термосифоны), была создана мерзлотная завеса, заглубленная в основание.

2000 год.
Отмечается значительное повышение сопротивления (300-650 Ом×м), что свидетельствует о промерзании грунтов насыпного тела ограждающей дамбы Локальная аномалия пониженного сопротивления, перестала существовать, что позволило сделать вывод о прекращение фильтрации грунтовых вод под основанием дамбы по зонам ослабленных пород, на данный период времени.

2001 год.
Наблюдается тенденция к увеличению сопротивления пород слагающих данное гидротехническое сооружение. Зон фильтрации воды из пруда водохранилища через тело плотины, не выявлено.

2002 год.
Продолжается положительная динамика к увеличению сопротивления пород слагающих данное гидротехническое сооружение, особенно в той части, где расположены термосифоны. Зон фильтрации воды из пруда водохранилища через тело плотины, не выявлено.

2003 год.
Для более наглядной демонстрации результатов, приведем сравнительный анализ полей сопротивления по профилю расположенному по гребню дамбы.

Как видно на рисунке – сопротивление пород, слагающих тело дамбы, за 5 лет увеличилось в несколько раз (с 250-300 Ом×м, до 600-1000 Ом×м.). Причина улучшения криогенного состояния тела дамбы в установке термосифонов.

2006 год.
Характер геоэлектрического разреза (разрез сопротивления) по створу дамбы не изменился, что свидетельствует о том, что температурное поле в теле дамбы достигло своего условно-стационарного режима.

Двустороннее сотрудничество позволило, с одной стороны, с помощью геофизических методов обнаружить ослабленную зону, по которой могла начаться фильтрация в основании дамбы, а с другой – сотрудниками рудника были приняты своевременные меры для предотвращения этих последствий. На данном участке были установлены термосифоны.