Лютоев В.А., Удоратин В.В.
ВИБРОСЕЙСМЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ
Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, г.Сыктывкар (ИГ КНЦ УрО РАН), Oyama@geo.komisc.ru, Udoratin@geo.komisc.ru
В настоящее время в связи с техническим развитием идет усиление антропогенного влияние на геологическую среду и, особенно, различных видов вибраций. Широкий диапазон частот вибраций обуславливает возможность проникновения в земную кору отдельных групп колебаний на расстояние от нескольких метров до десятков километров. Такое воздействие, безусловно, не может не вызывать изменение физико-механических свойств геологической среды, по крайней мере, верхней ее части.
Сейсмический мониторинг обычно проводится для решения различных задач на геодинамических полигонах, в районах особо важных объектов (АЭС, ГРЭС и т.п.), в местах разработки месторождений.
Началом выполнения настоящей работы послужили события 6 декабря 2000 г. В этот день в 20 часов 15 минут 2 секунды (московское время) сейсмостанция ╚Сыктывкар╩ зафиксировала отголоски сильного землетрясения, произошедшего в районе Каспийского моря, интенсивностью которого в эпицентре достигала 8 баллов по международной шкале. В то же время работники Сыктывкарского лесопромышленного комплекса (СЛПК) заметили качание 150-метровой железной трубы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) диаметром 6 метров с амплитудой колебаний (в верхней ее части) до 6 метров, которое сопровождалось скрежетом конструкции. Таким образом, реально могла возникнуть аварийная ситуация, при которой не исключалась возможность падения трубы на силовые установки ТЭЦ или на химические склады данного производственного объединения.
Были определены возможные причины возникновения аварийной ситуации: воздействие удаленного землетрясения, изменение физико-механических свойств грунтов, влияние технологических процессов и, наконец, резонансное явление, которое могло проявиться вследствие возникновения одного или нескольких вышеперечисленных факторов.
В результате обработки записи землетрясения, произошедшего 6 декабря получены следующие данные: начало прохождения сейсмических волн в районе г. Сыктывкара 20 часов 15 минут (московское время); длительность колебаний 40 минут; период колебаний: продольных волн Тp=1 с, поперечных волн Тs=2-3 с, поверхностных волн Тr =5-10 c; частота колебаний, соответственно 1 Гц, 0,3-0,5 Гц, 0,1-0,2 Гц. Величина смещений грунта с учетом приращенной балльности по вертикальной компоненте достигала 17 мкм, по горизонтальным компонентам √ до 32 мкм, что соответствует интенсивности землетрясения в 1,3 балла.
С помощью широкополосной сейсмической аппаратурой сотрудниками Института геологии Коми НЦ УрО РАН были выполнены микросейсмические исследования. Сейсмологические наблюдения проводились непрерывно в течение 30 суток. Изучалось состояние геологической среды в районе фундамента дымового коллектора. Сейсмические исследования проведены в турбинном цехе, непосредственно на самом фундаменте дымового коллектора (при производственном цикле и отсутствии его), в цехе лесохимии (рис. 1). Здесь были выявлены основные источники микросейсмических колебаний, к которым, в первую очередь, относится турбинный цех теплоэлекртоцентрали.
Турбинный
цех. Основные частоты сейсмических волн, исходящих с турбинного цеха
равны 12,45; 16,5; 24,5 Гц. Эти частоты говорят, что источниками микросейсм
являются промышленные агрегаты. Анализ спектров сейсмических колебаний
показал, что максимальные смещения почвы по вертикальной компоненте достигают
90 мкм при преобладающей частоте 12,45 Гц.
Лесохимический цех. Здесь наблюдаются минимальные значения смещения почв относительно всех точек наблюдений √ 7 мкм (2,2-10 Гц). Также в данном пункте наблюдения регистрируются частоты 12,45 Гц, исходящие из турбинного цеха с несколько меньшими значениями амплитуд.
Фундамент дымового коллектора. Микросейсмические исследования, проведенные на четырех опорах фундамента дымового коллектора показывают, что он испытывает внешние воздействия частот 12,45; 16,5 и 24,5 Гц. Интенсивность колебаний каждой опоры фундамента оценивается по-разному. Так, например, наибольшее воздействие от техногенных вибросейсм турбинного цеха испытывает опора в пункте наблюдения ╧3, минимальные колебания испытывает от этих же микросейсм опора в пункте наблюдения ╧1. При рассмотрении природных микросейсм, исходящих от ветровых воздействий на дымовой коллектор, наблюдается обратная картина. Опора пункта наблюдения ╧3 испытывает наименьшие колебания по отношению к остальной части опор фундамента, максимальное воздействие испытывает опора пункта наблюдения ╧1.
Это объясняется уплотнением грунтов в п.н. ╧3, т.е. некоторой
просадкой этой опоры в момент перехода грунта из состояния текучести в
более плотное состояние.
В момент пуска дымового коллектора микросейсмический
фон фактически не изменился. Однако следует отметить, что, несмотря на
малое изменение амплитуд смещений, все же наблюдаются некоторые отклонения,
где преобладающие частоты становятся более хаотичными и изменчивыми по
всем трем компонентам составляющих вектора смещения почвы.
Проведенные исследования по профилю I-I позволили вычислить
коэффициенты поглощения продольных волн грунтами, которые составили 0,014-0,02
м (-1) степени (12,45 Гц) (рис. 1). Такие высокие значения для суглинков
указывают на их специфичное литологическое содержание (комковатость, включения
гальки и органического вещества, микропустоты). Для северных районов России
в различных геолого-генетических комплексах четвертичных отложений характерны
явления текучести и повышенной пластичности грунтов. Зоны, подверженные
таким физическим изменениям внутри этих комплексов, названы нами ╚ослабленными╩.
Геологический разрез района работ представлен четвертичными ледниковыми
отложениями √ в основном суглинками печорского горизонта с прослоями линз
мелкозернистого и пылеватого песчаника. В районе ТЭЦ выявлено наличие ╚ослабленной╩
зоны, где грунты в результате воздействия различных источников вибраций
(собственные колебания конструкции, сильные удаленные землетрясения, вибросейсмы,
идущие от турбинного цеха) и воды изменили свое первоначальное физическое
состояние, приобрели повышенную пластичность и текучесть.
По данным микросейсмического мониторинга и интерпретации
полученных результатов можно сделать вывод о том, что явление сильной раскачки
дымового коллектора с последующими механическими повреждениями было связано
с двумя причинами: резонансными явлениями и физическими свойствами геологической
среды. Первая причина по результатам расчетов не получила явного подтверждения,
хотя и ее нельзя полностью исключать. Основным фактором, вызвавшим колебания
дымового коллектора, послужило изменение физических свойств геологической
среды, в результате чего произошло уплотнение грунта, что привело к проседанию
фундамента.