СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КАК ФАКТОР РИСКА РАЗРУШЕНИЯ ГОРОДСКИХ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Исследования причин разрушения канализационных сетей выполнялись геодезическими методами группой ученых Уральского института горного дела [Панжин А. А., 2000].

Разработанная методика непрерывного мониторинга короткопериодных деформаций земной поверхности в тектонически активных зонах была успешно применена для выяснения причин и механизма аварийных разрушений канализационных коллекторов города Сургута, расположенных в местах пересечения ими локальных тектонических разломов с выходом воронок обрушения на земную поверхность [Панжин А.

По геологическим данным район эксперимента относится к Обской кайлогенной области Западно-Сибирской низменности. В ней выделяется разнородный складчатый фундамент и слабо дислоцированный покров. Формирование структурных форм покрова началось в конце триаса и продолжается до настоящего времени. Под покровом понимается мощная толща отложений, образовавшаяся за указанный период, сложенная, преимущественно, песчано-глинистыми и, в отдельных случаях, кремнистыми породами. Мощность покровных отложений достигает 2700 метров. Из геологической информации следует, что в неогене и четвертичном периоде имели место довольно интенсивные тектонические движения и что все крупные орографические элементы Западно-Сибирской низменности являются результатом новейших тектонических движений.

Дифференцированные неотектонические движения, обуславливающие рост локальных структурных форм, имеют амплитуды движений до 250-300 метров. Градиент их часто достигает 20 метров/километр. Экспериментальный участок расположен непосредственно на Сургутском своде, представляющем собой слабо вытянутое поднятие севе- ро-северо-восточного простирания длиной 300 километров, шириной 150 километров. Границы тектонических зон хорошо прослеживаются в приповерхностных слоях методами электрометрии по резкому снижению удельного электрического сопротивления.

Исследуемый участок, на котором неоднократно отмечались аварийные порывы подземного канализационного коллектора большого диаметра, расположен в центральной части города Сургута, в районе пересечения улиц Декабристов и Майской (рис. 2.2.1).

Рис. 2.2.1. Схема исследуемого участка подземного канализационного коллектора в центральной части города Сургута [Панжин А. А., 2000]

Места аварийных порывов коллекторов отмечены на схеме кружками и прямоугольником.

На первых этапах работы производилось исследование состояния участка геофизическими методами. Первоначально по результатам на

земной радоновой съемки были выявлены примерные границы зон, в которых в приземных слоях атмосферы наблюдалось аномально высокое содержание радона и дочерних продуктов и в которых, по результатам предшествующих исследований, могли иметь место проявления короткопериодных деформаций массива. На рис. 2.2.1 эти зоны обозначены затененными областями. Всего на участке было выявлено две тектонических зоны — субширотного и субмеридионального простирания. Точность установления этих границ была относительно невысокой и составляла примерно 50 метров, поэтому на следующем этапе работ границы этих зон были уточнены методами электроразведки. В данном случае использовались методы вертикального электрозондирования и электропрофилирования. />При проведении электроразведочных работ было установлено, что выявленные по повышенной концентрации радона зоны сильно обводнены и внутри этих зон массив сильно разуплотнен. Границы тектонических зон и массива достаточно четко выделялись по резкому изменению удельного электросопротивления пород. Уточненные границы тектонических зон были нанесены на план участка работ. На рис. 2.2.1 уточненные границы показаны линиями с короткими засечками. При этом был отмечен тот факт, что все места аварий канализационного коллектора приурочены либо к осевой линии тектонических зон, либо к границам разломной зоны с нетронутым массивом горных пород.

На следующем этапе работ был произведен тщательный визуальный осмотр дорожного асфальтового покрытия, стен и фундаментов строений, попадающих в зону влияния тектонического нарушения. Во многих местах были обнаружены достаточно свежие трещины в асфальтовом покрытии с раскрытием до 3-5 см, а в стенах и фундаментах строений с раскрытием до 1-2 см. Данные трещины не были каким-либо образом связаны с конструктивными особенностями инженерных сооружений, таких как стыки плит сборных конструкций и пр., и часто носят многократный характер проявления, то есть свежие трещины возникают в местах ликвидации старых трещин.

Для определения параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород на аварийном участке канализационного коллектора была заложена наблюдательная станция, состоящая из 13 постоянных грунтовых реперов забивного типа (рис. 2.2.2).

Схема расположения реперов выбиралась таким образом, чтобы, во-первых, обеспечить достаточный охват тектонических зон, а во-

вторых, чтобы измерения смещений и деформаций было возможно производить во всех частях и направлениях разломных зон исследуемого участка. При этом базы измерений составляли от 50 метров до 1,5 километров.

Рис. 2.2.2. Схема наблюдательной станции состоящей из 13 постоянных грунтовых реперов забивного типа [Панжин А. А., 2000].

В соответствии с разработанной методикой на данном участке при выполнении работы было проведено 4 серии инструментальных наблюдений. Продолжительность непрерывных измерений смещений и деформаций составляла от 14 часов (4 репера — одна серия наблюдений) до 32 часов (12 реперов — 3 серии наблюдений). Инструментальные измерения в данном случае производились только в основном режиме сбора информации. При продолжительности периодичности съема данных 15 минут на каждом векторе было получено по 125 единичных данных об изменении длины вектора и превышений.

В результате измерений на исследуемом участке были выявлены две зоны концентрации “динамических” деформаций массива горных пород, приуроченные к центральной и краевой частям выявленной разломной зоны. На рисунке 2.2.2. эти зоны выделены затененными окружностями. В этих зонах концентраций “динамические” деформации превышали средние значения по участку в 2-3 раза. На остальной площади участка работ отмечалось довольно равномерное распределение поля динамических деформаций с практически полным их затуханием в сплошном нетронутом массиве. Также было замечено, что внутри разломной зоны субширотного простирания фон динамических деформаций был значительно выше, чем в разломной зоне субмеридионального простирания. По результатам выполненных измерений была предпринята попытка каким-либо образом объяснить наличие на исследуемом участке двух зон повышенной концентрации динамических деформаций массива горных пород.

Рис. 2.2.3. Карточка объекта [Панжин А. А., 2000]

Наличие зоны концентрации деформаций в северной краевой части субширотного разлома достаточно уверенно объяснялось влиянием относительно недавнего обрушения дневной поверхности с образованием воронки, впоследствии засыпанной грунтом. Также, по данным геофизических исследований, эта часть разломной зоны характеризуется повышенной обводненностью и высоким градиентом электричес

кого сопротивления массива, что указывает на повышенную разуплот- ненность массива.

Наличие же зоны концентрации динамических деформаций в осевой части субширотного разлома некоторое время оставалось без должного объяснения.

Таким образом, в результате выполнения вышеописанных экспериментальных работ было подтверждено, что динамические короткопериодные деформации тектонических нарушений, безусловно, оказывают негативное воздействие на протяженные искусственные сооружения. Также следует отметить и то, что, несмотря на достаточно большой объем проведенных экспериментальных работ, не было установлено наличие трендового характера деформирования массива горных пород, существования определенных взаимосвязей величин деформаций и гармоник колебательного процесса с различными участками тектонических зон, не были определены величины изменения компонент поля напряжений короткопериодных и трендовых составляющих деформационного процесса.

Исследования следующего этапа были выполнены весной 2001 г. и имели целью разработку рекомендаций по предупреждению аварийных ситуаций на канализационных коммуникациях и восстановлению аварийных участков. Методически работа строилась с учетом предшествующего опыта и сложившихся представлений о механизме взаимодействия конструкции коллектора с динамически напряженными породами разломных зон. Вместе с тем в данной работе были существенно расширены методические приемы как в геофизических, так и в геодезических исследованиях.

Как было уже отмечено, экспериментальный участок расположен в центральной части г. Сургут, и его размеры составляют пример

но 1300 на 1500 м. Общая схема участка экспериментальных работ с нанесенными реперами наблюдательной станции приведена на рис. 2.2.4.

alt="" />

Рис. 2.2.4. Общая схема участка экспериментальных работ с нанесенными реперами наблюдательной станции [Панжин А. А., 2002]

В этом районе находится достаточно развитая сеть подземных коллекторов, трубопроводов горячего и холодного водоснабжения и др.

На исследуемом участке предшествующими работами научно-практического центра “Сургутгеоэкология” выявлены четыре разломные

зоны, две из них имеют субширотное простирание, а две — субмери- диональное. В пределах экспериментального участка эти зоны имеют два пересечения. В центральной части исследуемого участка выделяется довольно протяженный динамически спокойный участок породного массива, условно разделяющий его на две зоны — северо-западную и юго-восточную, центры которых приурочены к местам пересечения соответствующих разломных зон. Подобное разделение участка на две зоны обосновано также и тем, что напряженно-деформированное состояние каждого исследуемого участка во многом будет определяться влиянием расположенных на нем разломных зон. Кроме того, на экспериментальном участке находится фрагмент сети городской полиго- нометрии, состоящий из 5 реперов, ранее заложенных на участке при застройке микрорайона.

Как и при выполнении предыдущей работы, границы разломных зон были уточнены специальными геофизическими исследованиями, выполненными до начала геодезических работ методами электрометрии [Панжин А. А., 2002]. Также был проведен визуальный осмотр дорожного полотна, стен и фундаментов строений, попадающих в зону влияния выявленных разломных зон. Выявленные старые и достаточно свежие трещины, характер их распределения косвенно подтверждали наличие на исследуемом участке поля динамических деформаций.

В соответствии с разработанной методикой определения параметров напряженно-деформированного состояния породного массива на исследуемом участке была заложена специальная наблюдательная станция, состоящая из 32 реперов, по которой было проведено 10 серий инструментальных измерений с применением GPS-технологий, которые были сгруппированы в три этапа работ.

На первом этапе были проведены повторные измерения на пяти пунктах городской сети полигонометрии (рис. 2.2.5).

На этом этапе было выполнено две серии измерений и переопределены пространственные геометрические связи между пунктами полигонометрии. Измерения на каждом пункте производились в течение 2-3 часов, чтобы исключить влияние на результаты измерений короткопериодных деформаций массива горных пород. В результате выполнения этого этапа работ были определены деформации участка, произошедшие за достаточно длительный период времени. Величины максимальных горизонтальных деформаций составили (0,03 — 0,06)х10-3м, причем интересно отметить, что зона их концентрации находится в динамически спокойном участке массива, а не

Рис. 2.2.5. Схема повторных измерений на пяти пунктах городской сети полигонометрии [Панжин А. А., 2000]

приурочена к какой-либо разломной зоне. По результатам исследований первого этапа было определено трендовое изменение напряженного состояния участка работ. При вычислении по величинам деформаций тензоров напряжений было сделано допущение об упругом характере деформирования породного массива, что позволило произвести расчеты приращения величины тензора напряжений по методике [Зубков А. В., 2000], которая позволяет произвести вычисления при различных углах между тензометрическими датчиками. Полученные в результате расчетов изменения тензоров напряжений составили Ds1 = (0,15 — 0,25) МПа и Ds2 = (0,05 — 0,15) МПа. Основным результатом

данного этапа работ стало подтверждение существования трендового характера деформирования массива на фоне действия поля короткопериодных деформаций. При этом следует обратить особое внимание на тот факт, что спокойные в динамическом отношении участки массива могут играть опасную роль накопителя напряжений и деформаций, что вызывает определенные беспокойства по поводу дальнейшей реализации накопленной в них энергии.

На втором и третьем этапах полевых работ было проведено по четыре серии инструментальных наблюдений на 1-м и 2-м участках экспериментальных работ (рис. 2.2.6) [Панжин А. А., 2002].

Рис. 2.2.6. Схема проведения четырех серий инструментальных наблюдений на 1-м и 2-м участках экспериментальных работ [Панжин А. А., 2002]

Измерения производились по 32 реперам наблюдательной станции при продолжительности серии наблюдений от 6 до 12 часов. Интервалы единичных измерений составили 15 мин и 1 мин. Таким образом, в процессе работы измерения горизонтальных и вертикальных смещений на участках производились по 57 векторам, на которых в общей сложности выполнено по 3453 единичных измерения горизонтальных и вертикальных смещений.

Анализ полученных результатов показал, что в целом максимальные амплитуды горизонтальных и вертикальных смещений в исследуемых разломных зонах одного порядка с аналогичными параметрами, полученными ранее на разломных зонах в районе ул. Майской. Максимальные горизонтальные деформации имели разброс значений на разных участках (0,01 - 0,50)х10-3м, наклоны также изменялись на различных участках в значительных пределах (0,02 - 1,00)х10-3м. По результатам измерений были выявлены две основные зоны концентрации деформаций, которые приурочены к местам пересечения локальных разломов.

Полученные на втором и третьем этапах работ результаты измерений были подвергнуты частотному FFT анализу с применением фильтра Хамминга [Отнес Р., Эноксен Л., 1892], который позволяет, в отличие от классического разложения Фурье, анализировать массивы данных любой размерности, в том числе и с разрывами сплошности. Было установлено, что в формировании поля динамических деформаций этих участков принимают участие различные наборы частот и амплитуд деформаций. Так, в зоне северо-западного пересечения разломов участвуют в основном колебания с периодами 60 и 85 мин, а в зоне юго-восточного пересечения — колебания с частотами 20 и 30 минут. Также было установлено, что в различных частях одного тектонического нарушения принимает участие различный набор гармоник колебаний. Так, в осевых частях разлома зафиксировано 4-5 выраженных гармоник колебаний, в краевых — 2-3 с постепенным затуханием в массиве, а в местах пересечения разломных зон — 7-8 гармоник с достаточно высокими амплитудами. Полученные данные свидетельствуют о наличии на исследуемом участке дискретного характера распределения поля короткопериодных деформаций.

Как отмечалось выше, все предыдущие работы по определению величин короткопериодных деформаций массива горных пород производились в осадочном чехле Обской кайлогенной области. Средняя мощность осадочного чехла в районе города Сургут составляет 20002500 метров, сложен же он в основном песком и песчаниками. Таким

образом, можно предположить, что разломные зоны на земной поверхности являются либо следами тектонических нарушений в скальном фундаменте, либо являются самостоятельными приповерхностными образованиями в осадочном чехле и не связаны со скальным фундаментом.

Результаты исследования Уральских ученых подтверждают наши наблюдения. Так, в районе опытного геодинамического полигона ОАО “Одессагаз”, пространственное положение которого согласуется с узлом пересечения Главного Черноморского и Одесско-Сивашского неотектонических нарушений, район формирования быстрых реверсных геодеформаций представляет собой мелкоблоковую структуру с дифференцированным характером вертикальных и горизонтальных движений, выявленных методами триангуляции и полигонометрии [Ткаченко В. Ф., 1970]. Важно отметить, что составная часть городской агломерации (поселок Котовского), расположенная вне пределов узла тектонических нарушений, практически не испытывает быстрых реверсных геодеформаций. Геодеформации системного характера регистрируются в этом районе скорее как исключение, чем как правило. Связано это с тем, что поселок Котовского расположен на блоке с азимутом простирания одной из граней — 62°, а этот азимут в современную эпоху нельзя отнести к неотектонически активным. Фактически активность этого азимута тектонической делимости земной коры за последние 15 лет проявилась только однажды — 24 июня 2002 г.