Магнітодинамічний спосіб визначення змінювання напруженого стану дамби (греблі)

1 .Магнитодинамический способ определения изменения напряженного состояния грунтовых дамб (плотин), склонных к ополз Изобретение относится к геофизическим методам контроля изменения напряженно-деформированного состояния горных массивов, в частности, к методам необразованию, включающий измерение полного вектора геомагнитной индукции Ті и Тг на двух высотах с шагом 1-2 м по профилю, перпендикулярному к бровке горной выработки, построение графика АТ = Ті -Тг, определение по минимальным значениям AT местоположения на плане локальных зон разрывных напряжений в породах, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что измерение полного вектора геомагнитной индукции производят по системе постоянных профилей, перпендикулярных к гребню дамбы (плотины), в направлении от гребня к основанию ее, по отрицательным значениям Т устанавливают линейные зоны развития разрывных напряжений в грунтах и породах оснований, выносят их с графиков на план и соединяют в полосы, по центрам которых проводят оси прогнозируемых трещин разрыва, по узлам пересечения полос и осей определяют аварийно-опасные участки дамб (плотин). 2.Способ по п. 1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, что аварийно-опасные участки дамб (плотин) определяют по дополнительным узлам пересечений полос и осей, полученных в процессе режимных наблюдений. выявления и контроля развития зон разгрузок (нагрузок), и может быть использовано для оценки состояния грунтовых дамб (плотин) водо-шламо-хвостохранилищ промыш с > VI о о ел 17905 ленных предприятий в процессе их эксплуатации, а также для контроля оползневых процессов пород на естественных склонах оврагов, балок, берегов рек, морей и озер. Известен способ магнитодинамическо- 5 го контроля изменений напряженно-деформированной зоны пород борта карьера [1], согласно которому непрерывно регистрируются по профилям, перпендикулярным к бровке борта карьера, изменения естест- 10 венного геомагнитного поля путем записи ЭДС магнитоиндукционного датчика, перемещаемого с постоянной скоростью 5 км/ч на высоте до 0,5 м от поверхности земли. При этом положение датчика относительно 15 профиля наблюдения остается постоянным благодаря фиксации его по специальным подвескам для ориентации в пространстве. Значения ЭДС записываются на магнитную ленту, с которой в лабораторных условиях 20 информация переписывается на бумажную ленту в виде графиков изменения ЭДС по профилю. По экстремальным значениям изменения ЭДС определяют местоположения 25 законов в прибортовых породах карьера. Недостатки данного способа состоят в том, что область использования его слишком узка, так как равномерное перемещение индукционного датчика не дает возможности исследовать профили с гребня 30 на ярусах, например, дамбы, а также не дает возможности выделить зоны разрывных напряжений в насыпных грунтах. Известен также способ определения изменений напряженного состояния элемен- 35 тов горных выработок, склонных к оползнеобразованию [2]. По этому способу, по профилям, практически перпендикулярным к бровке борта карьера, измеряют вертикальную и две горизонтальные (Hx,Hy,Hz) 40 компоненты полного вектора геомагнитной индукции, строят графики изменений аркфункций углов наклона компонента и по экстремальным значениям аркфункций определяют наличие и местоположение ло- 45 кальных зон изменений напряженного состояния пород борта карьера на скрытой стадии их развития. Недостатками данного способа являются: высокая трудоемкость, узкая область 50 применения. С помощью этого способа невозможно, например, обнаружить и определить местоположение аварийно-опасного участка на борту карьера, дамбы (плотины) гидротехнического сооружения. 55 Наиболее близким по технической сущности является магнитодинамический способ технологического контроля участков оползнеопасных бортов карьеров [3]. Согласно этому способу по профилям, перпендикулярным к бровке борта карьера или уступа, с шагом 1-2 м измеряют полный вектор геомагнитной индукции дважды на двух высотах 0,2-0,5 м и 1,5-1,8 м от поверхности земли. По методу вычитания геомагнитной индукции строятся графики разности индукции (AT = Ті - Тг), где Ті и Тг значения полного вектора геомагнитной индукции совместно на первой и второй высотах. Отрицательные значения Т относятся к зонам разгрузок прибортового массива пород. Недостатки данного способа состоят в том, что при наличии интенсивных промышленных помех, невозможно с достаточной степенью точности определить момент возникновения и развития аварийно-опасных ситуаций на контролируемом участке. Для исключения внезапности оползней пород в выработанное пространство необходима информация комплекса режима магнитодинамических и эманационных наблюдений, что усложняет процесс контроля. В основу изобретения положена задача разработать такой магнитодинамический способ, который позволил бы постоянно вести контроль изменения напряженного состояния элементов грунтовых дамб (плотин), склонных к оползнеобразованию, чтобы исключить внезапность образования оползня и одновременно определить момент возникновения и местоположения аварийно-опасных участков. Поставленная задача решается тем, что в известном магнитодинамическом способе технологического контроля участков оползнеопасных бортов карьеров, включающем: - измерение полного вектора геомагнитной индукции Т на двух высотах, 0,2-0,5 м и 1,5-1,8 м с шагом 1-2 м по профилю, перпендикулярному к бровке горной выработки; - построение по профилю графика разности индукций AT = Ті - Тг; - определение местоположения на плане участков напряженно-деформированного состояния по магнитным значениям разности геомагнитной индукции ( AT); Предусмотрены следующие технологические отличия: - измерение полного вектора геомагнитной индукции (AT) производят по системе постоянных профилей, перпендикулярных к гребню дамбы (плотины), в направлении от гребня к основанию ее; - по отрицательным значениям AT устанавливают линейные зоны развития раз 17905 рывных напряжений в грунтах и породах оснований; - выносят линейные зоны с графиков на план и соединяют их в полосы, по центрам которых проводят оси прогнозируемых трещин разрыва; - выявляют на плане появление дополнительных узлов пересечения полос (осей) и определяют аварийно-опасные участки дамб (плотин). Известно, что насыпные грунты дамб (плотин) трансформируют геодинамические процессы, протекающие в глубинных коренных породах оснований, на которых они построены. Напряженное состояние насыпных грунтов и естественных пород изменяется также при увлажнении, что при соответствующих условиях вызывает появление процессов разгрузок и нагрузок. Участки разгрузок в насыпных грунтах или в естественных пбродах находят отражение в изменениях естественного геомагнитного поля. При нормально протекающих осадочных процессах насыпных грунтов дамбы (плотины) полосы разгрузок на графике располагаются параллельно осям дамб (плотин). Разрывные трещины, возникающие в пределах ширины разгрузочных полос, располагаются также параллельно осям дамбы (плотины). При аномально протекающих деформационных процессах в грунтах и породах, которые, как правило, вызываются интенсивными подземными фильтрационными потоками, полосы разгрузок в насыпных грунтах и породах изменяют свое направление, отклоняясь от параллельного осям дамб (плотин). Разрывные трещины вызывают разделение тела дамбы (плотины) на блоки, резко уменьшая устойчивость дамбы, а при продолжении фильтрационных процессов происходит аварийный разрыв дамбы (плотины). Ведя наблюдение за состоянием дамбы (плотины) и производя замеры изменения физико-технического состояния ее в соответствии с методом-прототипом, не всегда удается вовремя заметить и предотвратить аварийно-опасное состояние контролируемого объекта. Поэтому заявляемый магнитодинамический способ оценки возникновения и развития аварийной опасности состояния дамб (плотин) гидротехнических сооружений предлагает производить измерение полного вектора геомагнитной индукции по системе постоянных профилей, перпендикулярных к гребню дамбы (плотины) сверху вниз, т.е. от гребня дамбы к ее основанию. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Проводя режимные замеры полного вектора геомагнитной индукции на наблюдаемом участке по системе постоянных профилей и анализируя графическое изображение результатов замера, устанавливают по отрицательным значениям AT линейные зоны развития напряжений (разгрузок) в насыпных грунтах и породах оснований. С графиков линейные зоны переносят на план и соединяют их в полосы. По центрам этих полос располагают оси прогнозируемых трещин разрыва дамб (плотин), анализируют наличие узлов пересечения полос и осей. При дальнейших режимных замерах узлы пересечения полос линейных зон и осей прогнозируемых трещин разрыва могут смещаться от первоначального своего положения. На плане эти перемещения выражаются появлением дополнительных узлов пересечения, скопления которых в том или другом месте плана указывает местоположение аварийно-опасного участка гидротехнического сооружения. Заявляемый магнитодинамическийметод определения напряженного состояния грунтовых дамб (плотин), использующий для замеров полного вектора геомагнитной индукции систему постоянных профилей с последующим выявлением на плане дополнительных узлов пересечения полос линейных зон и осей прогнозируемых трещин разрыва дает возможность производить длительное наблюдение за физико-техническим состоянием объектов, склонных к оползнеобразованию, осуществляя многократные измерения в одних и тех же точках профилей, а получаемый массив данных дает более достоверные результаты, позволяющие с большой степенью точности прогнозировать предаварийное состояние контролируемого объекта. На фиг.1 графически представлены результаты выявления линейных зон разрывных напряжений грунтов дамб по профилю 5, где а - график изменения ДТ по профилю 5; б - поперечный разрез дамбы по профилю 5; 1 - кривая изменения AT; 2 - пионерная дамба; 3 - насыпной грунт тела дамбы; 4 - гребень дамбы; 5 - линейная зона разрывных напряжений; 6 - породы основания; на фиг.2 - результаты выявления линейных зон разрывных напряжений по профилям 7,9,11; на фиг.З - план-схема выявления аварийно-опасного участка дамбы (плотины), где 7 - полосы разрывных напряжений грунтов дамбы и пород основания; 8 - узлы пересечения полос разрывных напряжений; 9 - профили магнитодинамической 1 17905 8 тины) указывает на предаварийное состояние дамб (плотин), склонных к оползнеобразованию и требует срочных мер по ее укреплению. Осуществление заявляемого магнитодинамического способа показано на примере контроля изменения напряженного состояния дамбы (плотины) пруда-отстойника шахтных вод шахты КрасноармейскаяЗападная № 1 (Донбасс). Выбор участка для определения изменений напряженного состояния грунтовых дамб (плотин) производился с учетом того, что наибольшие изменения напряженного состояния испытывают грунты, отсыпанные в тальвеговой части балки или оврага при наличии подземных фильтрационных потоков техногенных вод. Этим условиям соответствует тал ьвеговая часть балки Соленой, которая впадает в реку Соленая. Измерение геомагнитного поля на выбранном участке проводили по методу-прототипу и по заявляемому методу. В первом случае это были одиночные измерения полного вектора геомагнитной индукции по профилю, расположенному перпендикулярно к бровке борта карьера или уступа. По заявляемому способу измерение полного вектора геомагнитной индукции проводили по системе постоянных профилей в периоды технологических сливов жидких шламов или хвостов. В периоды сливов участки дамб (плотин) с узлами прогнозируемых трещин разрыва в насыпных грунтах испытывают наиболее интенсивные изменения напряженного состояния, что находит отражение в изменениях полного вектора геомагнитной индукции. Профили для измерения геомагнитного поля располагали через каждые 50 м. В каждой точке профиля, с шагом 2 м, измерения геомагнитной индукции производили дважды, на высоте 0,5 и 1,5 м. Изменение полного вектора геомагнитной индукции определяли методом вычитаний AT = Ті - Тг, строили график изменения AT (фиг. 1,2). Отрицательные значения AT, представляющие собой линейные зоны разрывных напряжений, выносили на план, соединяли их в полосы разрывных напряжений грунтов. Внутри полос, по их Внутри полос по их середине проводят середине, проводили оси прогнозируемых оси 10 прогнозируемых трещин отрыва. Метрещин отрыва. Для удобства выделения ста пересечений полос 7 и осей 10 опасных 55 опасных участков, места пересечения полос участков обозначают кругами и условно наи осей обозначали кругами-узлами (фиг.З). зывают узлами (фиг.З, поз.8). Полученные Анализ полученных результатов покарезультаты анализируют. Большое скоплезал: полосы разрывных напряжений на гоние узлов в том или ином месте дамбы (плоризонтах 156.5-146.5 отражают съемки; 10 - оси прогнозируемых трещин отрыва; 11 - 156.5 - абсолютная отметка поверхности. Способ осуществляется следующим образом. 5 Выбирают участок для определения изменений напряженного состояния грунтовых дамб, располагают профили геомагнитных наблюдений через каждые 20-50 м начиная от гребня 4 к основанию 6 10 (фиг.1). Принимают шаг измерения полного вектора геомагнитной индукции равным 2 м. Измеряют геомагнитное поле в каждой точке профиля дважды: на высоте 0,5 ми 1,5 м от исследуемой поверхности с точностью до 15 0,1 нТл с помощью современного, серийновыпускаемого магнитометра М-60 (г,С-Петербург). Используя метод вычитаний определяют в каждой точке изменение полного вектора геомагнитной индукции ЛТ = 20 =Ti -Тг, где Ті и Тг значение полного вектора геомагнитной индукции соответственно на высотах 0,5 м и 1,5 м от поверхности, По полученным значениям AT строят график (фиг 1,1а). По отрицательным значениям AT 25 устанавливают линейные зоны разрывных напряжений (разгрузка) 5. Начало профиля 1 в одном масштабе совмещают с серединой гребня 4 (фиг. 16) и размещают график 1 над поперечным раз- 30 резом дамбы (фиг. 16). Линейные зоны 5 проектируют на разрез, на котором изображают столбчатые структуры - линейные зоны 5 (фиг. 1,1 б) и 35 определяют середины зон. Аналогичные процессы выявления линейных зон на постоянных профилях 7,9,11 показаны на фиг.2 (без приведения аналогичных поперечных разрезов дамбы). Линейные зоны разрывных напряжений 40 5 со всех графиков переносят в соответствующих масштабах на план-схему участка дамбы (фиг.З). На плане линейные зоны 5 соединяют в полосы разрывных напряжений 7 грунтов 3. 45 При нормально развивающихся процессах изменений напряженного состояния грунтов полосы линейных зон и оси прогнозируемых трещин разрыва располагаются параллельно осям элементов дамбы (плоти- 50 ны) 17905 нормальные процессы изменений напряженного состояния грунтов - полоса и ось параллельны оси дамбы (плотины) (фиг.З). На элементах дамбы 2 и 3 полосы и оси разрывных напряжений в грунтах 7 и 9 с 5 горизонта 146 по горизонт 123 м образуют узлы 8, расположенные в различных частях профилей 9 (фиг.З). Согласно заявляемому магнитодинамическому способу участок дамбы (плотины) с 10 профиля 5 по профиль 11, где обнаружены восемь узлов пересечений полос разрывных напряжений 8 (узлов пересечения осей прогнозируемых трещин разрыва насыпных грунтов 3) отнесен к аварийно опасному. 15 Длительное наблюдение за изменением напряженного состояния насыпных грунтов на этом участке подтвердили вывод о развитии аварийно опасных ситуаций: через 2 месяца на профиле 11, 9 и 7, между 20 отметками 126.5-123,0 м были обнаружены провалы в насыпных грунтах пионерной дамбы 2 и интенсивное обводнение откосов. Опыт прогнозирования аварийной ситуации на участках дамб (плотин) водо-шламо- 25 и хвостохранилищ показывает, что при обнаружении узлов пересечения осей прогнозируемых трещин разрыва (полос разрывных напряжений) на гребне пионерной дамбы (плотины) или на ее откосе, или в 30 ее основании сооружение переходит в предаварийное состояние. В этих ситуациях со временем в узлах наблюдения происходит просачивание техногенных вод, трещины из скрытой стадии переходят в открытые. Мас- 35 сив насыпных грунтов подготавливается к расколу на блоки. Таким образом, наступает предаварийная ситуация. При отсутствии укрепительных мероприятий предаварийная ситуация перерастает в аварию. 40 Аналогичный эффект интенсивного изменения полного вектора геомагнитной индукции при его измерения на аварийно опасных участках дамб (плотин) наблюдается в периоды интенсивных подъемов уров- 45 ней естественных подземных вод с октября по май месяцы. 10 Магнитодинамический способ определения изменений напряженного состояния грунтовых дамб (плотин) использовался при оценке комплексом геофизических методов физико-технического состояния водо-шламо- и хвостохранилищ коксохимзаводов, углеобогатительных фабрик, шахт, гидрозолоотвалов ГРЭС, химических заводов Донбасса, горнообогатительных комбинатов Кривбасса. На всех этих объектах заявляемым способом безошибочно выявлялись аварийно-опасные участки, прогнозировались предаварийные ситуации и аварии. Аналогичные замеры на этих объектах, проводимые по методу-прототипу, не позволили выявить аварийно опасные участки и для определения фактической ситуации понадобилось провести еще замеры методом эманации. Только комплекс этих методов дал возможность установить предаварийные участки. Таким образом, заявляемый магнитодинамический способ определения изменений напряженного состояния грунтовых дамб (плотин) обладает новизной и по обеспечиваемым им результатам и свойствам превосходит любой из известных способов-аналогов. Выступающие в качестве отличительных признаки предлагаемого способа (по сравнению со способом-прототипом) очевидным образом не вытекают из результатов и выводов научных исследований, доступных для ознакомления. Заявляемый способ контроля напряженного состояния элементов дамб (плотин), склонных к оползнеобразованию.в 8-10 раз эффективнее существующих по выявлению аварийно-опасных участков гидротехнических сооружений. Своевременное обнаружение аварийно-опасных участков на наблюдаемом объекте позволяет в 8-10 раз сократить материальные затраты на проведение ремонтно-укрепительных работ. мТл 17905 L-60 ФИГ. 2. 17905 ГК98 Упорядник Замовлення 4256 Техред М Келемеш (К 92 Коректор Л.Лукач Тираж Підписне Державне патентне відомство УкраТни, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101