СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ Российский патент 1996 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к сейсмологии, сейсмометрии, гидротехнике, гидроэнергетике, капитальному строительству.

В настоящее время современные тектонические движения регистрируются геодезическими методами, сейсмическими станциями, аппаратурой геофизических полигонов, наклономерными наблюдениями. Макросейсмический эффект землетрясений и последствия медленных тектонических движений устанавливаются специальными экспедиционными обследованиями земной поверхности, зданий и сооружений в плейстосейстовых и приразломных областях /1, 2/.

Натурными наблюдениями и исследованиями ОИФЗ им.О.Ю.Шмидта РАН с участием институтов гидропроект, Гидроспецпроект, ВНИИГ и НИИЭС Минтопэнерго РФ установлено, что высокие плотины, расположенные в горных сейсмоактивных областях подвергаются значительному геодинамическому влиянию от современных импульсных и медленных тектонических движений, воздействие которых (кроме сейсмических) на сооружения нормативными документами не учитывается.

Вместе с тем, высокие плотины и вмещающие их горные породы как природно-технические системы повышенного риска снабжены развитыми многофункциональными измерительными системами и являются наиболее благоприятными объектами для выявления и контроля новейших тектонических движений (см.таблицу). Необходимость геодинамического контроля на крупных высоконапорных гидроузлах в орогенных областях объясняется повышением сейсмической опасности, старением плотин, допущенными ошибками в определении нормативной сейсмичности районов строительства некоторых объектов, например Саяно-Шушенской и Зейской ГЭС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ регистрации современных тектонических движений на геофизических и геодинамических полигонах, заключающийся в комплексном измерении вариаций геофизических полей, вызванных геодинамическими процессами /3/.

Однако малое количество таких полигонов по сравнению с количеством плотин, ограниченность контролируемых площадей, слабость полезных сигналов на фоне помех, отсутствие единой методики и стандартных средств измерения делают этот способ неэффективным.

Заявленный способ отличается от известного тем, что для регистрации геодинамических процессов предлагается использовать многофункциональные измерительные системы крупных высоконапорных гидроузлов со стандартными средствами измерения длительного действия и накопленным банком данных многолетних наблюдений.

Чувствительность высоких плотин к геодинамическим процессам объясняется их расположением в руслах рек, являющихся, как правило, тектоническими нарушениями, активизирующим влиянием крупных водохранилищ на сейсмологические условия в регионе.

Для регистрации современных тектонических движений выделяется контрольная группа датчиков, наиболее чувствительных к геодинамике путем ретроспективного анализа накопленных результатов натурных наблюдений в увязке с региональным каталогом землетрясений и материалами локальных сейсмотектонических исследований. В контрольную группу включаются приборы с максимальным числом и величиной откликов на перенесенные землетрясения и деформации земной поверхности.

При этом полезный сигнал (отклик) определяется как аномалия на фоне квазистационарного состояния системы "плотина-основание-водохранилище" и расчетного напряженно-деформированного состояния сооружения.

Выделенной контрольной группой датчиков непрерывно или ежедневно в автоматическом режиме измеряются вариации основных геофизических полей в системе "плотина-основание": деформации земной поверхности в районе гидроузла, изменения фильтрационного, геохимического и температурного режимов, перемещения береговых массивов горных пород, бортов разломов и тектонических трещин. Полезными сигналами считаются флуктуации измеряемых параметров на фоне известных их зависимостей от уровня водохранилищ и температуры воздуха, а также контролируемых техногенных факторов работы водосбросов, режим работы гидроагрегатов и т.д.

Полученные сигналы проверяются другими средствами измерения, не входящими в контрольную группу, или по измерительным системам ближайших плотин в одном сейсмоактивном регионе для подтверждения (идентификации) геодинамической природы сигнала.

На основе комплексного анализа всех полученных результатов измерений и напряженно-деформированного состояния сооружения совместно с региональным каталогом сейсмических событий и материалами геодезических наблюдений за ближайшими разломами выносится суждение о характере тектонического движения (импульсное или медленное), его направлении, скорости, степени опасности для сооружения.

Сущность изобретения заключается в измерении остаточных деформаций и силовых геодинамических воздействий на систему "плотина-основание-водохранилище" от современных быстрых и медленных тектонических движений с помощью существующих измерительных систем длительного действия, установленных в плотинах в районах расположения крупных высоконапорных гидроузлов и поясняется фиг.1-5.

Фиг. 1. Геотектоническая схема в районе створа Чиркейской ГЭС. Из фиг.1 ясно, что расположенная на склоне Хадумской антиклинали, в сейсмоактивном районе Дагестана, вблизи от разлома Калудалкал и рядом с крупной тектонической трещиной 100-2Д высокая арочная плотина неизбежно подвергается геодинамическому воздействию от тектонических движений со стороны высокого правого берега. Это движение обусловлено сейсмогенными подвижками по тектонической трещине, наклонным напластованием сланцев с глинистыми прослойками, наличием потенциально неустойчивого массива над трещиной 150.

Фиг. 2. Изменения арочных напряжений в плотине Чиркейской ГЭС иллюстрирует последствия геодинамического воздействия на плотину в результате тектонических движений со стороны левого берега, которые выражаются в увеличении напряжений сжатия в плотине с одновременной разгрузкой ее правого плеча.

Фиг. 3. Активизация разломов и тектонических движений в районе створа Зейской ГЭС после наполнения водохранилища.

Фиг.3 иллюстрирует роль водохранилища, наполнение которого было начато в 1975 году, в проявлении тектонических движений и геодинамического воздействия на плотину, которое не учтено в проекте. Нивелировки первого класса по берегам водохранилища за период с 1976 по 1986 гг. выявили наличие тектонических движений по Пиканскому и Южно-Тукуpингрскому разломам (фиг.3а) и дифференцированную работу берегов: осадку на правом берегу (фиг.3б) и подъем на левом.

Ориентация створа плотины параллельно разломам и более высокая сейсмическая активность правого берега определили неблагоприятное для контрфорсной плотины Зейской ГЭС боковое (поперечное) направление сейсмической нагрузки. Последствия отмеченных сейсмотектонических условий для плотины представлены на фиг.4 и 5.

Фиг. 4. Влияние геодинамических сил на прогибы секции 25 станционной плотины Зейской ГЭС вдоль а) и поперек потока б) на распределение нормальных напряжений в оголовке плотины в).

Из фиг. 4 следует, что сейсмогенный рост напряжений сжатия вдоль створа плотины, а также криповое движение со стороны правого берега из-за гравитационной неравномерности в береговых примыканиях обусловили уменьшение прогибов секции в сторону нижнего бьефа и вызвали поперечный изгиб контрфорса с резкой неравномерностью нормальных напряжений в его сечении. Таким образом, в реальном сооружении имеет место объемное напряженное состояние, а не плоское, как это принято в проекте.

Фиг. 5. Влияние Зейского руслового разлома на остаточные деформации секций Зейской плотины в плане под воздействием землетрясений. (По показаниям автоматизированного струнного створа в галерее N 4 на отм.232).

По наблюдениям за осадками, фильтрационными расходами, горизонтальными перемещениями и щелемерами в деформационных межсекционных швах, зейский русловой разлом, обозначенный на сейсмотектонической схеме (фиг.3) проходит в основании секций 24-25. Контроль сейсмогенных остаточных деформаций секций плотины в плане с помощью автоматизированного струнного створа на отм. 232 подтвердил этот вывод. Максимальное перемещение в сторону нижнего бьефа после толчка 15.07.1992 с энергетическим классом К=8,7 отмечено в с.25 (фиг. 5в).

Техническими результатами изобретения являются:
включение высоких плотин в состав геодинамической службы Минтопэнерго РФ (приказ министра от 22 декабря 1994 г. N 298) и в состав федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений (ФССН) в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 11 мая 1993 г. N 144;
совершенствование системы эксплуатационных натурных наблюдений за безопасностью высоких плотин;
совершенствование методов изысканий, расчетов и проектирования новых высоконапорных гидротехнических сооружений. ТТТ1 ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в сейсмометрии, сейсмологии, сейсмотектонике, гидротехнике, гидроэнергетике и капитальном строительстве. Сущность изобретения: осуществляют выделение и измерение остаточных деформаций и силовых геодинамических воздействий на систему "плотина-основание-водохранилище" от современных быстрых и медленных тектонических движений. Для этого используют существующие измерительные системы длительного действия, установленные на высоких плотинах и в районах расположения крупных высоконапорных гидроузлов. Полезный сигнал выделяют как аномалию на фоне квазистационарного режима, определяемого уровнем водохранилища, температурой воздуха и известными техногенными факторами. Достоверность сигнала проверяют по показаниям датчиков, не входящих в контрольную группу и по реакциям измерительных систем ближайших плотин в одном сейсмоактивном регионе. 5 ил., 1 табл.

Способ регистрации современных тектонических движений, заключающийся в измерении локальных наклонов остаточных деформаций земной поверхности и вариаций уровня грунтовых вод, выделении их аномальных значений на основе комплексного изучения полученных данных, отличающийся тем, что используются многофункциональные измерительные системы длительного действия, установленные на высоких плотинах и в массивах вмещающих их горных пород, включающие отвесы, струнные створы, гидростатические нивелиры, деформометры, из которых выделяют контрольную группу наиболее информативных датчиков, имеющих максимальный отклик на перенесенные землетрясения, дополнительно измеряют вариации фильтрационных расходов, перемещения и деформации, раскрытие швов и трещин в плотине и вмещающем ее массиве горных пород, после каждого тектонического движения, землетрясения выделяют аномальные значения измеряемых параметров на фоне известных по проектным расчетам техногенных и температурных влияний, проверяют достоверность полученных сигналов по показаниям других, не входящих в контрольную группу датчиков, а также по откликам измерительных систем ближайших плотин в одном сейсмотектоническом регионе, осуществляют комплексный анализ результатов многопараметрических измерений в увязке с региональным каталогом сейсмических событий и на этой основе выносят суждение об источнике, направлении, скорости и механизме тектонического движения.