Способ мониторинга и прогнозирования оползневой опасности Российский патент 2019 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к инженерной геодинамике, к геофизическим (электромагнитным) методам оценки опасных геологических процессов, применяемым как в составе инженерно-геологических изысканий, так и в составе работ оперативного реагирования при негативном развитии склоновых процессов на территориях функционирования авто- и железных дорог, объектов энергетического, оборонного и нефтегазового комплексов, транспортных сооружений, в том числе магистральных трубопроводов, городской инфраструктуры и т.д. и может быть использован для оценки и прогноза устойчивости опасных оползневых склонов, при негативном воздействии различных техноприродных и антропогенных факторов.

Предлагаемый способ предназначен для оценки устойчивости оползневого склона и раннего оповещения об угрозе срыва оползневого блока с применением метода естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ).

Угроза от воздействия оползневых явлений связана с большими материальными потерями и часто с человеческими жертвами. Создание эффективных способов прогноза оползневой опасности сталкивается с большими трудностями из-за отсутствия технологии малозатратного непрерывного (круглосуточного и круглогодичного) контроля за развитием динамического режима опасного оползневого склона. Эта проблема особенно актуальна в условиях ведения горных работ при строительстве дорог, прокладке трубопроводов, отработке карьеров, строительстве зданий и сооружений на склонах (трамплинов, гостиниц, фуникулёров и других сооружений).

Практическая задача оценки устойчивости массива горных пород в условиях наклонного залегания предполагает рассмотрение реакции горных пород при нагружении как в виде деформирования (упругого, неупругого, пластического, временного), так и в виде разрушения после потери сплошности деформируемой среды. Природа и механизм оползневого процесса связаны с напряжённо-деформированным состоянием (НДС) горных пород и происходящих в нём геомеханических процессов. Оползневое тело представляет собой динамически развивающуюся систему, в которой под влиянием различных факторов происходит изменение НДС, нарушение структурных связей в слагающих оползень породах, что сопровождается образованием микротрещин.

Поэтому при оценке оползневой опасности важным условием является прослеживание НДС склона в непрерывном режиме с идентификацией его фонового, возбужденного (латентного), аномального и критического состояния.

Наиболее распространённая на практике методика мониторинга дискретных, прерываемых во времени, наблюдений не позволяет получить полную картину динамического развития процессов деформирования и разрушения массива горных пород.

Важность и неотложность разработки новых более эффективных способов, технических средств и методик прогноза и контроля опасных склоновых процессов определяется их широкой распространённостью на урбанизированных территориях, а также в сейсмоопасных районах с горным рельефом. Например, на территории г. Москвы выделено более 15 глубинных блоков оползней с глубиной поверхности скольжения до 100 м и большое количество мелких поверхностных оползней, также требующих постоянного контроля. Аналогичная картина наблюдается в г. Казани, на Черноморском побережье и горных районах Кавказа и Крыма, на берегах р. Волги, в горных районах Сибири и Дальнего Востока. Широко известны аварийные ситуации на оползневых склонах при прокладке магистральных трубопроводов через речные переправы. Например, вблизи г. Сарапул на переходе магистрального газопровода через р. Каму только за последние 25 лет произошло 5 аварий из-за подвижек оползневого склона.

Рекомендуемый Сводом правил СП 11-195-97 (Инженерно-геологические изыскания для строительства) и другими нормативными документами комплекс геофизических, геодезических и других методов мониторинга оползневых массивов не позволяет решать эти задачи с приемлемой точностью, оперативно и без больших затрат, из-за трудностей учёта полей-помех, использования искусственных источников возбуждения сейсмических или электромагнитных полей и высокой стоимости работ, что затрудняет выполнение наблюдений в режиме непрерывного мониторинга. Наибольший практический опыт в области прогноза оползневой опасности связан с применением метода (ЕИЭМПЗ) на стадиях проектирования и эксплуатации магистральных трубопроводов и других ответственных сооружений в условиях горного рельефа.

Известен способ аналогичного назначения, предусматривающий регистрацию во времени на контролируемом оползневом участке склона параметров ЕИЭМПЗ и их изменений по отношению к его фоновым параметрам, по которым судят о состоянии участка (SU 857899, 25.08.1981).

Недостатком данного известного способа является низкая точность прогноза оползневой опасности.

Техническим результатом предложенного способа является повышение точности прогноза оползневой опасности, повышение точности определения места и времени нарушения сплошности массива.

Способ позволяет уточнить параметры оползня по поверхности (площади) оползневого склона, вероятное время начала его движения из-за потери устойчивости склона, оценить объём массы оползневого блока, а также снизить затраты при выполнении мониторинга.

Указанный технический результат достигается в способе мониторинга и прогнозирования оползневой опасности, предусматривающем регистрацию во времени на контролируемом оползневом участке параметров естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) и их изменений по отношению к его фоновым параметрам, на контролируемом оползневом участке предварительно прокладывают профильные линии на верхней площадке и по склону, по меньшей мере, по центру контролируемого оползневого участка и по его боковым границам, осуществляют опытный площадной мониторинг ЕИЭМПЗ на контролируемом оползневом участке вдоль проложенных профильных линий, на контролируемом оползневом участке вдоль профильных линий с учётом данных опытного площадного мониторинга ЕИЭМПЗ размещают пункты наблюдений, за пределами контролируемого оползневого участка, на участках с устойчивым фоном суточного хода ЕИЭМПЗ, размещают пункты базисных наблюдений с геофизическими регистраторами ЕИЭМПЗ, в пунктах наблюдения на контролируемом оползневом участке также размещают геофизические регистраторы ЕИЭМПЗ и выполняют мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в непрерывном режиме с периодическим снятием показаний параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ относительно аналогичных фоновых параметров ЕИЭМПЗ, уровень которых контролируется пунктами базисных наблюдений, регистрацию сигнала осуществляют на частоте 5-25 кГц с использованием активных фильтров второго порядка, позволяющих отстраиваться от техногенных полей-помех, по параметрам магнитной составляющей ЕИЭМПЗ на контролируемом оползневом участке определяют текущее геодинамическое состояние оползневого склона, собранные данные с регистраторов ЕИЭМПЗ записывают, обрабатывают и анализируют параметры магнитной составляющей ЕИЭМПЗ по двум ортогональным компонентам (Нх, Ну) в двух направлениях приема сигнала, по изменениям параметров, по меньшей мере, одной из которых относительно фоновых параметров определяют изменение состояния оползневого склона на контролируемом оползневом участке и степень оползневой опасности, при этом мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ осуществляют в виде регистрации интенсивности потока импульсов ЕИЭМПЗ.

Кроме того, дополнительно выполняют мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в виде регистрации амплитуды импульсов ЕИЭМПЗ.

Кроме того в случае отличия интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ, зарегистрированных на контролируемом оползневом участке, по меньшей мере, в одном из направлений приема сигнала, по меньшей мере, в течение суток не менее, чем на 50% относительно аналогичных фоновых параметров в пунктах базисных наблюдений за пределами контролируемого оползневого участка, делают прогноз о нарушении устойчивости оползня на контролируемом оползневом участке.

Кроме того, в случае отличия интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ, зарегистрированных на контролируемом оползневом участке, по меньшей мере, в одном из направлений приема сигнала, по меньшей мере, в течение суток не менее, чем в 2 раза относительно аналогичных фоновых параметров в пунктах базисных наблюдений за пределами контролируемого оползневого участка, делают прогноз о вероятном времени сдвижения оползня.

Кроме того, размещение пунктов наблюдений на контролируемом оползневом участке проводят с учётом его геологических и геоморфологических особенностей.

Кроме того, размеры и границы активизации геодинамических процессов на контролируемом оползневом участке определяют по регистраторам, размещенным на контролируемом оползневом участке, которые регистрируют отличия от параметров ЕИЭМПЗ в пунктах базисных наблюдений.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид временного хода ЕИЭМПЗ при активизации оползневого склона; на фиг.2 – 11 показаны различные примеры результатов мониторинга геодинамических проявлений; на фиг.12 показаны временные вариации ЕИЭМПЗ пунктов базисных наблюдений, наблюдений на контролируемом оползневом участке и показаний деформации трубопровода; На фиг. 13 показана временная динамика НДС контролируемого оползневого участка с показаниями деформации трубопровода; на фиг.14 показано размещение на контролируемом оползневом участке пунктов наблюдений системы регистрации параметров ЕИЭМПЗ.

В результате анализа и обобщения материалов экспериментальных работ и натурных режимных наблюдений за динамикой ЕИЭМПЗ, было установлено, что при возникновении и активном развитии оползневого процесса может быть выделено четыре стадии его динамического развития (фиг.1).

I – стадия стационарного режима фоновой цикличности;

II – стадия скрытого (латентного) трещинообразования на микроуровне с нарушением фоновой цикличности в результате усиления напряжённого состояния массива (амплитуда и интенсивность электромагнитных импульсов увеличивается);

III – стадия активного трещинообразования с локализацией крупных трещин отрыва (амплитуда и интенсивность потока электромагнитных импульсов резко возрастает);

IV – стадия потери устойчивости и сдвижения оползневого блока с нарушением его целостности (амплитуда и интенсивность электромагнитных импульсов резко уменьшается до уровня фоновых значений или ниже фона), что соответствует состоянию динамического сжатия.

Масштаб вероятного оползневого воздействия (степень опасности) оценивается по продолжительности выделенных стадий (II, III, IV) и пропорционален интенсивности потока импульсов ЕИЭМПЗ и их амплитуде.

Многолетняя практика режимных наблюдений с целью контроля динамики оползневого склона показала, что преодоление трудностей прогнозирования оползневой опасности связаны с решением следующих частных задач:

- ранней локализацией мест нарушений сплошности оползневого массива на скрытой начальной стадии образования микротрещин;

- определением вероятного времени начала смещения (сдвижения) оползневого блока;

- прогнозом объёма массы грунта оползневого блока.

Поэтому при оценке оползневой опасности важным условием является прослеживание напряжённо-деформированного состояния склона в непрерывном режиме с идентификацией его фонового, возбужденного (латентного), аномального и критического состояния. Практический опыт и лабораторные эксперименты при нагружении больших образцов горных пород (1м х 1м) показывают, что только при наступлении четвёртой критической стадии (нарушении сплошности массива) процесс сдвижения оползневого блока становится необратимым, а прогноз оползневой опасности может рассматриваться как достоверный.

Возможность оценить степень оползневой опасности и при необходимости осуществить подготовку защитных мероприятий обеспечивается при регистрации вариаций ЕИЭМПЗ, наиболее чувствительного к процессам деформирования и разрушения горных пород (начиная с появления микротрещин), и являющегося постоянно действующим информационным источником о геодинамическом состоянии геологической среды в целом и оползневых склонов в частности, не требующим больших материальных затрат и обеспечивающим возможность непрерывных наблюдений.

Физико-геологической основой применения геофизических методов электромагнитной и акустической эмиссии для контроля устойчивости оползневого склона являются процессы механо-электрических преобразований в горных породах, вызывающие изменения НДС грунтового массива от фонового, до аномального и критического. Изменения НДС связаны с процессами дилатансии, т.е. с изменением объёма горных пород в результате трещинообразования. Это происходит при увеличении силы тяжести оползневого массива, гидродинамическом давлении, сейсмических воздействиях, при потере устойчивости склона в случае его подрезки или при влиянии других природных и антропогенных факторов.

Образующиеся при воздействии механических нагрузок микротрещины являются источником возникновения локальных импульсных электромагнитных полей, как результат различного типа механо-электрических преобразований в горных породах. В качестве основного преобразователя механической энергии в электромагнитную принят механизм дипольного излучения зарядов, образующихся на бортах раскрывающихся микротрещин. Увеличение частоты и амплитуды электромагнитных импульсов, превышающих фоновые значения, является показанием усиления динамического воздействия, роста НДС пород и процесса начального их деформирования с образованием микротрещин, но пока ещё в скрытой стадии развития сдвиговых деформаций.

На этой стадии наиболее чувствительными к нарушениям целостности массива горных пород являются эмиссионные (импульсные) методы – ЕИЭМПЗ и акустической эмиссии. В результате анализа данных многолетних наблюдений было установлено, что увеличение интенсивности электромагнитной эмиссии над фоном в 2-3 раза позволяет уверенно локализовать место ожидаемого нарушения сплошности пород ещё до образования на верхней площадке оползневого склона видимых локальных смещений, мелких седловин и трещины, т.е. определить начало зарождения оползневого процесса в скрытом виде. Это позволяет уточнить (оптимизировать) расстановку приборов-регистраторов ЕИЭМПЗ поля относительно участка с наибольшей интенсивностью электромагнитной эмиссии и заблаговременно предупредить о возможной угрозе.

В случае отличия параметров ЕИЭМПЗ на 50% и более, зарегистрированных хотя бы в одном из направлений приема в течение суток и более, дают прогноз о нарушении устойчивости оползня. Критериями необратимости оползневого процесса являются резкое увеличение интенсивности электромагнитного излучения (примерно в 5 раз и более над фоном), а также часто наблюдаемое вертикальное смещение грунта в головной части оползня (на верхней площадке) со скоростью более 20 см/сутки с образованием небольших седловин и трещин. Время начала оползневого процесса – необратимого сдвижения оползневого блока, определяется по резкому спаду интенсивности электромагнитного излучения и часто наблюдаемому появлению в нижней части склона вспучивания грунта (с вариациями от часов до 2х суток).

Время опережения при прогнозе оползневой опасности по данному способу по сравнении с традиционными методами – геодезическим высокочастотным нивелированием, аэрофотограмметрическими наблюдениями, мониторингом геофизических полей (методами сейсморазведки, электроразведки, скважинной инклинометрии и другими), также визуальным геологическим обследованием, а также по сравнению с наиболее близким аналогом, может составлять от 5 до 30 дней, в зависимости от местных инженерно-геологических условий, типа морфоструктуры оползневого склона и опыта работ на конкретных оползневых объектах.

Способ реализуют следующим образом.

Для реализации способа на контролируемом оползневом участке предварительно, по меньшей мере, по его центру и по его боковым границам прокладывают профильные линии на верхней площадке и по склону, проводят опытный площадной мониторинг ЕИЭМПЗ на контролируемом оползневом участке вдоль проложенных профильных линий.

Опытный площадной мониторинг производят следующим образом [Electromagnetic Method for Exogenetic Geodynamic Elements Mapping in Permafrost Environment/ V F Gordeev, S Y Malyshkov, V I Polyvach, 2017// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering  189(1), 012006 С.Ю. Малышков, В.Ф. Гордеев, В.И. Поливач. Полевые исследования динамики техногенного оползня// Геология и геофизика Юга России. 2017. No 2. С. 82–90.]:

• на участках с устойчивым фоном суточного хода ЕИЭМПЗ, размещают пункты базисных наблюдений на расстоянии не более 20 км от контролируемого оползневого участка;

• не менее 2-х регистраторов устанавливают в районе пункта базисных наблюдений и включают их в режиме постоянного мониторинга параметров ЕИЭМПЗ с частотой дискретизации 1 сек;

• подбирают параметры усилительных трактов, таким образом, что бы все регистраторы работали идентично и параметры ЕИЭМПЗ отличались не более чем на 5%;

• в районе пункта базисных наблюдений оставляют один регистратор, а второй переводят в полевой режим и производят маршрутные измерения вдоль профильных линий с шагом 20 – 25 метров;

• на каждой маршрутной точке производится замер параметров ЕИЭМПЗ в течение 3 – 5 мин, с точным определением текущего времени;

• в процессе обработки определяется разница параметров ЕИЭМПЗ в маршрутной точке и пункте базисных наблюдений, как отношение интенсивности сигнала в этих точках;

• результатом всей маршрутных измерений является картирование относительной интенсивности сигналов ЕИЭМПЗ оползневого склона к интенсивности в пункте базисных наблюдений, с выделением аномальных зон.

На контролируемом оползневом участке вдоль профильных линий с учётом данных опытного площадного мониторинга ЕИЭМПЗ размещают пункты наблюдений в аномальных зонах.

За пределами контролируемого оползневого участка, на участках с устойчивым фоном суточного хода ЕИЭМПЗ, размещают пункты базисных наблюдений геофизическими регистраторами ЕИЭМПЗ.

В пунктах наблюдения на контролируемом оползневом участке также размещают геофизические регистраторы ЕИЭМПЗ и выполняют мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в непрерывном режиме с периодическим снятием показаний параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ относительно аналогичных фоновых параметров ЕИЭМПЗ.

Мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ осуществляют в виде регистрации интенсивности потока импульсов ЕИЭМПЗ.

Уровень фоновых параметров ЕИЭМПЗ контролируют пунктами базисных наблюдений. Регистрацию сигнала осуществляют на частоте 5-25 кГц с использованием активных фильтров второго порядка, позволяющих отстраиваться от техногенных полей-помех.

По параметрам магнитной составляющей ЕИЭМПЗ (интенсивности потока импульсов) на контролируемом оползневом участке определяют текущее геодинамическое состояние оползневого склона, собранные данные с регистраторов ЕИЭМПЗ записывают, обрабатывают и анализируют параметры магнитной составляющей ЕИЭМПЗ по двум ортогональным компонентам (Нх, Ну) в двух направлениях приема сигнала, по изменениям параметров, по меньшей мере, одной из которых относительно фоновых параметров определяют изменение состояния оползневого склона на контролируемом оползневом участке и степень оползневой опасности.

Дополнительно может быть выполнен мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в виде регистрации амплитуды импульсов ЕИЭМПЗ для большей точности прогноза.

В случае отличия интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ, зарегистрированных на контролируемом оползневом участке, по меньшей мере, в одном из направлений приема сигнала, по меньшей мере, в течение суток не менее, чем на 50% относительно аналогичных фоновых параметров в пунктах базисных наблюдений за пределами контролируемого оползневого участка, делают прогноз о нарушении устойчивости оползня на контролируемом оползневом участке.

В случае отличия интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ, зарегистрированных на контролируемом оползневом участке, по меньшей мере, в одном из направлений приема сигнала, по меньшей мере, в течение суток не менее, чем в 2 раза относительно аналогичных фоновых параметров в пунктах базисных наблюдений за пределами контролируемого оползневого участка, делают прогноз о вероятном времени сдвижения оползня.

Размещение пунктов наблюдений на контролируемом оползневом участке проводят с учётом его геологических и геоморфологических особенностей. В целом ряде случаев следует учитывать ещё, например, и структурно-тектонические, гидрогеологические особенности (напр., подземные воды, разгружающиеся в оползневые накопления, поддерживающие в них высокую влажность), и другие природно-техногенные факторы).

Размеры и границы активизации геодинамических процессов на контролируемом оползневом участке определяют по регистраторам, размещенным на контролируемом оползневом участке, которые регистрируют отличия от параметров ЕИЭМПЗ в пунктах базисных наблюдений.

Пункты базисных наблюдений размещены за пределами контролируемого оползневого участка, на участках с устойчивым фоном суточного хода ЕИЭМПЗ (Фиг. 14). На фиг. 14 поз. 1 обозначен пункт базисных наблюдений, поз. 2-9 –пункты наблюдений на профильных линиях контролируемого оползневого участка.

В пунктах наблюдения на контролируемом оползневом участке размещают геофизические регистраторы ЕИЭМПЗ, которые включают:

- блок антенн, регистрирующих магнитную составляющую ЕИЭМПЗ по двум или трем независимым каналам с взамоортоганальным направлением приема сигнала Нх, Ну или Нх, Ну, Hz (канал Нz используется при необходимости определения направленности полного вектора электромагнитного поля).

- блок обработки сигналов;

- блок передачи данных (радиоканал, канал сотовой или спутниковой связи, либо USB интерфейс);

- устройство синхронизации, обеспечивающее временную привязку данных по GPS, Глонас или серверам точного времени Интернета.

Регистрация магнитной составляющей ЕИЭМПЗ предусматривает

- регистрацию интенсивности потока импульсов (импульсного потока), т.е. количество импульсов магнитной составляющей поля за выбранный интервал времени;

- регистрацию амплитуды импульсов магнитной составляющей.

Мониторинг выполняют в непрерывном режиме с периодическим снятием показаний параметров ЕИЭМПЗ относительно фоновых параметров, уровень которых контролируют пункты базисных наблюдений. По параметрам ЕИЭМПЗ определяют текущее геодинамического состояние на контролируемом оползневом участке. По изменениям фоновых параметров ЕИЭМПЗ на всех пунктах наблюдений на контролируемом оползневом участке определяют изменение состояния оползневого склона на данном участке и степень оползневой опасности.

Работа геофизических регистраторов заключается в регистрации характеристик ЕИЭМПЗ с интервалом дискретизации времени, заданным оператором в пределах от 1 секунды.

Магнитная составляющая поля регистрируется как:

- интенсивность импульсного потока на частоте от 5 до 25 кГц, причем контур ферритовых антенн и резонансная частота с использованием активных фильтров второго порядка устанавливаются дискретно с шагом, позволяющим отстраиваться от техногенных полей-помех диапазона очень низких частот;

- дополнительно амплитудный состав (амплитуда) импульсов, превышающих заданный порог в каждом временном интервале.

- многоприборная регистрация, обработка и анализ параметров ЕИЭМПЗ по магнитной составляющей в диапазоне частот 5-25 кГц.

Далее проводят:

- оценку и прогноз геодинамического состояния оползневого склона (фонового, возбуждённого, аномального, критического);

- определение (уточнение) границ активного оползневого склона;

- прогнозную оценку начала движения оползневого блока, необратимости оползневого процесса, по резкому изменению интенсивности, амплитуде, длительности уровня аномального поля электромагнитной эмиссии;

- расчётную оценку активного объёма оползневой массы (при известной глубине залегания основания – зеркала скольжения) оползневого блока.

Сбор данных регистраторами ЕИЭМПЗ для обработки проводится непрерывно с периодичностью заданной программным обеспечением.

Собранные данные регистраторами ЕИЭМПЗ данные записывают, обрабатывают и анализируют параметры магнитной составляющей ЕИЭМПЗ по двум ортогональным компонентам (Нх, Ну), по изменениям параметров, по меньшей мере, одной из которых относительно аналогичных фоновых параметров определяют изменение состояния оползневого склона на контролируемом оползневом участке и степень оползневой опасности.

Сбор данных геофизическими регистраторами выполняется в пунктах наблюдений, расположенных вдоль профильных линий, синхронно с наблюдениями в пунктах базисных (опорных) наблюдений, располагаемых вне зоны возможного развития оползневого процесса, на заранее выбранных участках с устойчивым фоном вариаций суточного хода ЕИЭМПЗ. При обработке записей импульсного электромагнитного поля синхронные наблюдения позволяют исключить или уменьшить влияние наложенных процессов природной цикличности и полей-помех техногенного происхождения.

По данным многолетних наблюдений отмечается разный уровень аномального проявления электромагнитных импульсов в динамически различных частях оползневого склона, расхождение во времени их пиковых значений в верхней части склона – крутом уступе, в средней части и пологой ступени склона. Соответственно при выполнении полевых наблюдений при расстановке приборов-регистраторов следует охватывать эти три части.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

На трассе действующего магистрального газопровода (МГ) «Моздок-Казимагомед» (участок 607,3 км, около села Агач-Аул) в ночь с 13 на 14 декабря 2012 года на контролируемом участке активного оползневого склона горы Тарки-Тау сошёл оползень в непосредственной близости от МГ.

По данным пунктов наблюдений активизация контролируемого склона горы Тарки-Тау была зафиксирована задолго до схода оползня, в цикле наблюдений с 25 июня по 20 июля 2012 года.

На фиг. 2 представлены результаты мониторинга геодинамических проявлений с 25 июня по 20 июля 2012 года. На фиг.2 представлены результаты регистрации временных вариаций интенсивности потока импульсов магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в пунктах наблюдения на профильных линиях контролируемого оползневого участка и базисных наблюдений (реперные станции) в двух направлениях приема сигнала Север – Юг (Н1) и Запад – Восток (Н2) и результаты их относительной разницы (фиг.3), характеризующие НДС горного массива в районе наблюдения в направлении Н1 и Н2 соответственно. На фиг. 3 видно, что в направлении Север – Юг геодинамические процессы практически отсутствуют, тогда как в направлении Запад – Восток напряжения достигают критических значений превышающих 150 %, что свидетельствует о неустойчивом положении оползня на контролируемом оползневом участке (отличия параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ, зарегистрированных в одном из направлений приема более, чем на 50% отличаются относительно фоновых параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ).

На основании полученных результатов мониторинга было принято решение понизить давление газа в МГ.

После относительной стабилизации НДС грунтов по данным анализа импульсов магнитной составляющей ЕИЭМПЗ 20 июля 2012 г. давление газа в магистрали было восстановлено до рабочих значений. Однако в период с 1 октября по 20 декабря пункты наблюдений на контролируемом оползневом участке зафиксировали активизацию оползневого склона в следующие периоды: 10-12 октября (фиг. 4, 5), 9-15 и 23-24 ноября (фиг. 6,7), хотя при визуальном обследовании склона все было спокойно. Это свидетельствует о наличии скрытой ранней стадии подготовки оползневого процесса – стадии микродеформаций с образованием микротрещин в теле оползневого массива.

В действительности, в декабре месяце 2012 года в районе наблюдений наложились два геодинамических процесса: процесс подготовки землетрясения 18.12.2012 и процесс подготовки оползня – провала (активизация оползневого склона) 14.12.2012. На фиг.8 видно, что 12 декабря начался проявляться предвестник землетрясения, в виде отсутствия суточного хода и аномального понижения сигнала эмиссии, по обеим регистраторам и в двух направлениях приема сигнала, интенсивности ЕИЭМПЗ, которое продолжалось до 18 декабря и совпало с моментом первого толчка землетрясения.

Следует отметить, что именно 11 и 13-14 декабря значения показаний достигли «красной» катастрофической зоны, после чего наступил период резкого падения НДС (период релаксации), вплоть до фоновых показаний, что соответствует моменту отрыва блоков оползневых масс.

В качестве примера приведем результаты пункта наблюдений на участке 607,08 МГ «Моздок-Казимагомед».

На фиг. 10 приведен фрагмент непрерывного мониторинга НДС грунтов основания газопровода в период 01-06 декабря 2012 г., где жирной линией обозначены показания пункта базисных наблюдений (реперной станции). На фиг. 11 видно, что показания регистратора пункта наблюдений контролируемого оползневого участка и пункта базисных наблюдений реперного (вариационного) регистратора четко коррелированы с весьма слабым различием до 50 % отклонения, что говорит о спокойном состоянии геодинамики

Совсем другой характер носят замеры, например, в период 08-13 декабря 2012 г. Показания пункта наблюдений на контролируемом участке более чем в два раза превышают фоновые, что связано с активизацией процессов на оползневом склоне (фиг. 8).

На графике (фиг. 9) можно видеть, что 13-14 декабря аномалии достигли максимальных, катастрофических значений, после чего наблюдается фаза релаксации (пологий фронт 14-16 декабря), т.е. резкого снижения интенсивности НДС за счет разгрузки и схода оползневой массы грунта. Для сравнения на фиг.10, 11 показаны изменения интенсивности параметров ЕИЭМПЗ в спокойный период.

Пример 2

Одним из контролируемых оползневых участков оползневого склона с использованием Автоматизированной системы геофизического мониторинга (АСГМ) является переход МГ «Уренгой-Помары-Ужгород» через р. Каму в районе г. Сарапул.

В результате нескольких лет эксплуатации системы удалось показать, что различные участки берега реки являются динамически развивающимися структурами. При этом ситуация на различных участках оползня может изменяться даже в течение одних суток. За время эксплуатации системы более 10 раз наблюдались аномалии в интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ на различных участках оползня. Аномалии проявлялись в виде искажения суточного хода интенсивности ЕИЭМПЗ в течение нескольких дней. В такие дни наблюдалось также появление существенной разницы в показаниях станций, находящихся на различных участках оползня.

В случае появления подобных аномалий транспортировка газа с нитки газопровода, вблизи которой наблюдалась аномалия, переводилась на резервную линию. Как правило, развитее опасной ситуации обнаруживалось по электромагнитным шумам Земли раньше срабатывания других датчиков контроля.

На фиг. 12 приведен пример записи параметров ЕИЭМПЗ в виде интенсивности потока импульсов магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в одном из направлении приема сигнала Запад- Восток (наиболее отражающих различия в показаниях) на контролируемом участке рядом с ниткой газопровода, на которой размещен датчик деформации трубы (интеллектуальная вставка - ИВ), где Тrepwe – временные вариации показаний пункта базисных наблюдений (реперной станции), а Т8we – временные вариации пункта наблюдений на контролируемом участке.

Из записи видно, что 9 марта произошло изменение типичного суточного хода интенсивности импульсного потока. Оно предшествовало подвижкам грунта 13 марта, которые проявились в скачкообразном изменении деформации трубы. В конце представленной записи суточный ход ЕИЭМПЗ восстановился.

За время эксплуатации данной экспертной системы защиты магистрального газопровода (более 8 лет), не произошло ни одной аварии на обслуживаемом участке. Несомненно, что в этом факте есть и значимая доля упреждающих инженерных мероприятий, осуществляемых на газопроводе на основе работы данной системы наблюдений АСГМ. В настоящее время аналогичные системы устанавливаются на других объектах ПАО «Газпром».

В период с 3 по 9 марта регистратор, находящийся в непосредственной близости от трубы зарегистрировал повышение интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ (верхняя кривая на графике), характерное при появлении растяжений горных массивов. В период с 9 по 13 марта напряжения растяжения сменились напряжениями сжатия (труба газопровода сдерживала сползание горных пород). Срыв массива произошел 13 марта и подтвержден скачком деформации трубы, зафиксированным тензодатчиком на ее поверхности (нижняя кривая). Прогноз активизации горного массива был осуществлен за 10 суток до срыва оползня.

Данный пример иллюстрирует факт резкого понижения импульсного потока ЕИЭМПЗ (до фона или ниже фона) после фазы резкого увеличения потока ЭМ импульсов, что чётко демонстрирует ранее описанные стадии оползневого процесса (см. фиг.1).

Приведённые примеры показывают высокую эффективность применения предлагаемого способа, в частности выявлять в структуре склона зоны повышенной и пониженной активности оползневых процессов, зоны растяжения и относительного сжатия, пространственную ориентацию напряжений, с идентификации стадии их геофизического развития и раннем оповещением об опасном развитии оползневого процесса. В результате многолетних наблюдений, было установлено, что опасным для эксплуатации газопровода следует считать превышение интегрального коэффициента оценки безопасности более чем на 150% в течение трёх суток и более.

Возможность достижения реального результата обеспечивается при регистрации вариаций ЕИЭМПЗ, наиболее чувствительного к процессам деформирования и разрушения горных пород (начиная с появления микротрещин), и являющегося постоянно действующим информационным источником о геодинамическом состоянии геологической среды в целом и оползневых склонов в частности, не требующим материальных затрат и обеспечивающим возможность непрерывных наблюдений.

Способ позволяет обеспечить непрерывную регистрацию и слежение за изменением параметров ЕИЭМПЗ, их обработку и анализ, что позволяет заблаговременно оценивать степень опасного состояния склона.

Применение предлагаемого способа для оценки напряжённости и деформированности массива горных пород с целью прогноза оползневой опасности позволяет заблаговременно оценивать устойчивость оползневого склона, локализовать место основного разрыва, определять время начала движения оползня, а при достаточно плотной сети регистраторов проводить оценку объёмной массы оползневого грунта.

Предлагаемый способ позволяет осуществлять прогноз без проведения трудоёмких и дорогостоящих работ, таких как бурение и оборудование режимных скважин для инклинометрических, гидрогеологических, геофизических и других скважинных наблюдений; геодезическое высокоточное нивелирование, геофизические повторные наблюдения методами сейсморазведки, электроразведки, магнитометрии и гравиметрии, газо-геохимических наблюдений и других работ.

Применение постоянно существующего естественного источника импульсного электромагнитного поля в непрерывном режиме наблюдений даёт большой экономический эффект и возможность осуществлять прогноз в режиме более раннего оповещения по сравнению с другими методами, не обеспечивающими непрерывность слежения за развитием оползневого процесса.

Предлагаемый способ позволяет также осуществлять режимные наблюдения и получать оперативную информацию на труднодоступных участках в условиях горного рельефа и считывать информацию в пунктах сбора данных в непрерывном режиме.

Таким образом, предложенный способ позволит повысить точность прогноза оползневой опасности, повысить точность определения места и вероятного времени нарушения сплошности оползневого массива на контролируемом оползневом участке.

Возможность достижения указанного результата достигается совокупностью существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы изобретения, каждый из признаков которой необходим, а вся совокупность является достаточной для достижения указанного технического результата.

Способ позволяет уточнить параметры оползня по поверхности (площади) оползневого склона, вероятное время начала его движения из-за потери устойчивости склона, оценить объём массы оползневого блока, а также снизить затраты при выполнении мониторинга.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для мониторинга и прогнозирования оползневой опасности. Сущность: на контролируемом оползневом участке прокладывают профильные линии. Вдоль профильных линий размещают пункты наблюдений с регистраторами параметров естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). За пределами контролируемого оползневого участка, на участках с устойчивым фоном суточного хода ЕИЭМПЗ размещают пункты базисных наблюдений с регистраторами ЕИЭМПЗ. На контролируемом участке выполняют мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в непрерывном режиме с периодическим снятием показаний параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ относительно аналогичных фоновых параметров ЕИЭМПЗ, уровень которых контролируется пунктами базисных наблюдений. Причем регистрацию сигнала осуществляют на частоте 5-25 кГц с использованием активных фильтров второго порядка, позволяющих отстраиваться от техногенных полей-помех. По параметрам магнитной составляющей ЕИЭМПЗ на контролируемом оползневом участке определяют текущее геодинамическое состояние оползневого склона. Затем анализируют параметры магнитной составляющей ЕИЭМПЗ по двум ортогональным компонентам (Нх, Ну) в двух направлениях приема сигнала. По изменениям параметров по меньшей мере одной из компонент относительно фоновых параметров определяют изменение состояния оползневого склона на контролируемом оползневом участке и степень оползневой опасности. При этом мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ осуществляют в виде регистрации интенсивности потока импульсов ЕИЭМПЗ. Технический результат: повышение точности прогнозирования оползневой опасности. 5 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ мониторинга и прогнозирования оползневой опасности, предусматривающий регистрацию во времени на контролируемом оползневом участке параметров естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) и их изменений по отношению к его фоновым параметрам, отличающийся тем, что на контролируемом оползневом участке предварительно прокладывают профильные линии на верхней площадке и по склону по меньшей мере по центру контролируемого оползневого участка и по его боковым границам, осуществляют опытный площадной мониторинг ЕИЭМПЗ на контролируемом оползневом участке вдоль проложенных профильных линий, на контролируемом оползневом участке вдоль профильных линий с учётом данных опытного площадного мониторинга ЕИЭМПЗ размещают пункты наблюдений, за пределами контролируемого оползневого участка, на участках с устойчивым фоном суточного хода ЕИЭМПЗ размещают пункты базисных наблюдений с геофизическими регистраторами ЕИЭМПЗ, в пунктах наблюдения на контролируемом оползневом участке также размещают геофизические регистраторы ЕИЭМПЗ и выполняют мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в непрерывном режиме с периодическим снятием показаний параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ относительно аналогичных фоновых параметров ЕИЭМПЗ, уровень которых контролируется пунктами базисных наблюдений, регистрацию сигнала осуществляют на частоте 5-25 кГц с использованием активных фильтров второго порядка, позволяющих отстраиваться от техногенных полей-помех, по параметрам магнитной составляющей ЕИЭМПЗ на контролируемом оползневом участке определяют текущее геодинамическое состояние оползневого склона, собранные данные с регистраторов ЕИЭМПЗ записывают, обрабатывают и анализируют параметры магнитной составляющей ЕИЭМПЗ по двум ортогональным компонентам (Нх, Ну) в двух направлениях приема сигнала, по изменениям параметров по меньшей мере одной из которых относительно фоновых параметров определяют изменение состояния оползневого склона на контролируемом оползневом участке и степень оползневой опасности, при этом мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ осуществляют в виде регистрации интенсивности потока импульсов ЕИЭМПЗ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно выполняют мониторинг параметров магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в виде регистрации амплитуды импульсов ЕИЭМПЗ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае отличия интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ, зарегистрированного на контролируемом оползневом участке по меньшей мере в одном из направлений приема сигнала по меньшей мере в течение суток не менее чем на 50% относительно аналогичных фоновых параметров в пунктах базисных наблюдений за пределами контролируемого оползневого участка, делают прогноз о нарушении устойчивости оползня на контролируемом оползневом участке.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае отличия интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ, зарегистрированного на контролируемом оползневом участке по меньшей мере в одном из направлений приема сигнала по меньшей мере в течение суток не менее чем в 2 раза относительно аналогичных фоновых параметров в пунктах базисных наблюдений за пределами контролируемого оползневого участка, делают прогноз о вероятном времени сдвижения оползня.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что размещение пунктов наблюдений на контролируемом оползневом участке проводят с учетом его геологических и геоморфологических особенностей.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры и границы активизации геодинамических процессов на контролируемом оползневом участке определяют по регистраторам, размещенным на контролируемом оползневом участке, которые регистрируют отличия от параметров ЕИЭМПЗ в пунктах базисных наблюдений.