сотрудник с 01.01.2018 по настоящее время
Екатеринбург, Свердловская область, Россия
ВАК 1.2.1 Искусственный интеллект и машинное обучение
ВАК 1.2.2 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
Одной из существенных причин снижения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, прокладываемых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ), являются деформации земляного полотна, проявляющиеся из-за недостаточного учета изменчивости геокриологических условий на протяженных линейных объектах. Т. е. дороги на территории криолитозоны подвергаются интенсивным незатухающим со временем деформациям. Изменчивость инженерно-геологических и мерзлотно-гидрогеологических условий, как правило, отражается на картах инженерно-геологического районирования, которые, в свою очередь, основываются на последовательном анализе и оценке влияния зональных и региональных природно-климатических факторов. В условиях ограниченного времени для получения достоверной инженерно-геологической информации в рамках проведения инженерных изысканий предлагается использовать комплекс методов, таких как дешифрирование аэро- и космоснимков, метод оперативного анализа, геофизические методы (электроразведка) и инженерно-геологические методы (инженерно-геологическая съемка, бурение, инженерно-геологическая документация, опробование и т. д.).
изменчивость инженерно-геологических условий, многолетнемерзлые породы, протяженные линейные объекты, дешифрирование, региональные факторы, зональные факторы, инженерно-геологическое районирование.
Введение
Одной из существенных причин снижения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, прокладываемых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ), являются деформации земляного полотна, проявляющиеся из-за недостаточного учета изменчивости геокриологических условий на протяженных линейных объектах. Т. е. дороги на территории криолитозоны подвергаются интенсивным незатухающим со временем деформациям.
Изменчивость инженерно-геологических и мерзлотно-гидрогеологических условий, как правило, отражается на картах инженерно-геологического районирования, которые, в свою очередь, основываются на последовательном анализе и оценке влияния зональных и региональных природно-климатических факторов [1].
В условиях ограниченного времени для получения достоверной инженерно-геологической информации в рамках проведения инженерных изысканий предлагается использовать комплекс методов, таких как дешифрирование аэро- и космоснимков, метод оперативного анализа, геофизические методы (электроразведка) и инженерно-геологические методы (инженерно-геологическая съемка, бурение, инженерно-геологическая документация, опробование и т. д.).
Метод
При строительстве протяженных линейных объектов в условиях многолетней мерзлоты необходимо оценить совокупность как региональных, так и зональных факторов, которые повлияют на условия строительства и эксплуатации.
Это климатические факторы (температурный режим, увлажненность), геоботанические (вид, густота, ярусность растительности), геоморфологические (микрорельеф, снежный покров), литолого-фациальные (литологический разрез, генезис грунтов), криолитологические (распространение мерзлых и талых грунтов, их температура, криогенное строение мерзлых толщ и т. п.), гидрологические (поступление в дренаж вод) и др.
Одним из оперативных методов получения инженерно-геологической информации служит дешифрирование высокопроизводительных дистанционных материалов, позволяющее на начальном этапе построить ландшафтно-индикационную карту, а также выявить на протяжении всей трассы ключевые участки, которые потребуют более детальных исследований.
Далее на основе полученных дешифрированием данных подключаются уточняющие методы — геофизические и инженерно-геологические.
В качестве основного геофизического метода при постановке работ был выбран электроразведочный метод вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ). Данный метод позволяет выявить в грунтовой толще, которая в дальнейшем послужит основанием для полотна автомобильной дороги, наличие и характер распространения льдистых грунтов и подземных льдов.
Выявление наличия и характера распространения таких участков важно, так как наиболее сильно осложняет эксплуатацию дорог развитие негативных экзогенных геологических процессов (ЭГП), в частности термокарст.
Когда спектры развития потенциально опасных инженерно-геологических процессов по результатам дешифрирования и геофизических методов определены, подключаются инженерно-геологические методы получения информации, такие как рекогносцировочное обследование, бурение инженерно-геологических и термометрических скважин, опробование и полевые и лабораторные испытания для оценки физико-механических и теплофизических свойств грунтов.
Результатом анализа и оценки совокупности полученной информации вышеперечисленными методами будет являться карта инженерно-геологического районирования, которая направлена на формирование принципиального подхода к созданию в условиях ММГ геокомплексов, относительно однородных по совокупности природных условий [2].
Примеры
В качестве примера применения оценки изменчивости инженерно-геологических условий с помощью комплекса методов осуществлено инженерно-геологическое районирование участка трассы автомобильной дороги. Рассматриваемый объект располагается в Оймяконском районе республики Саха (Якутия) в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород.
Дорога в широтном направлении пересекает территории с разнообразными геолого-тектоническими, геоморфологическими и ландшафтно-климатическими условиями, что предопределяет сложность и значительную неоднородность инженерно-геокриологических условий трассы и их изменчивость при строительстве и эксплуатации дороги, развитие инженерно-геокриологических процессов и явлений [2].
На подготовительном (предполевом) этапе работ было выполнено дешифрирование при помощи снимков LANDSAT-8. Использование Landsat позволяет дифференцировать снимки как по ландшафтной криоиндикации, так и по температурам поверхности и впоследствии более детально картировать мерзлотные условия, что важно для повышения достоверности отображения реальной картины природной дифференциации.
Сама процедура дешифрирования осуществлялась с использованием программы QGIS, в которой есть плагин Land Surface Temperature, позволяющий оценить температуру поверхности из снимка Landsat-8 по традиционным спектрально-яркостным признакам.
Использование дешифрирования позволило выделить ландшафтные зоны, определить участки развития ЭГП, их размеры и опасность проявления. Совмещения ландшафтно-индикационной карты с геологическими условиями позволили построить карту ИГУ и обозначить участки дальнейших исследований более точными методами.
Геофизические исследования были сконцентрированы на участках развития подземных льдов. В качестве параметрического материала для литологической привязки геоэлектрических границ, выделяемых по данным ВЭЗ, и геологического истолкования получаемых электроразведочных материалов использованы результаты предшествующих электроразведочных работ на схожих в геологическом плане участках и информация, полученная при бурении инженерно-геологических скважин [4].
В дальнейшем с помощью бурения скважин подземные льды были оконтурены и определены их мощности, состав, состояние и температуры.
По результатам проведенных исследований установлено, что подземные льды встречены по всей проектируемой трассе автодороги в интервале глубин от 1,0 до 9,0 м. В разрезе они присутствуют в виде отдельных линз и крупных вытянутых прослоев протяженностью в плане от 111,0 до 3640,0 м.
Инженерно-геологические методы получения информации позволили выявить, что территория проектируемой дороги изысканий имеет не только очень сложное геокриологическое строение, но и сложное геологическое.
В геологическом строении верхнего яруса изучаемой автодороги принимают участие четвертичные отложения, неоднородные по возрасту, составу, мощности, генезису (коллювиальные, коллювиально-делювиальные, аллювиальные, делювиально-солифлюкционные, ледниковые). Разрез сложен суглинками слабольдистыми, супесями разной степени льдистости, песками пылеватыми и гравелистыми слабольдистыми, дресвяными, щебенистыми, гравийными и галечниковыми грунтами с супесчаным и песчаным заполнителем, слабольдистым, а также техногенными грунтами, представленными щебнем, галькой, гравием с супесчаным и песчаным заполнителем. Эти отложения являются синкриогенными и ограничены по возрасту средним плейстоценом. Нижний ярус выполнен преимущественно песчано-глинистыми сланцами с трещинными криотекстурами с льдистостью 0,1–0,5 %.
Мощность многолетнемерзлых пород под долинами рек колеблется в пределах 200–300 м, а на возвышенностях — от 300 до 600 м. Температура пород на глубине 15–20 м изменяется преимущественно в пределах от минус 4,5 до минус 8 °С, на высоких отметках (2200–2500 м) может опускаться до минус 10 — минус 12 °С.
В результате интегрирования различных методов (дешифрирования аэро- и космоснимков, рекогносцировочного обследования территории, бурения инженерно-геологических скважин, геофизических исследований и т. д.) были изучены инженерно-геологические и мерзлотно-гидрогеологические условия трассы автодороги, определен спектр развития инженерно-геологических и геокриологических процессов, установлены масштабы их развития, что легло в основу построения карты инженерно-геологического районирования (рис. 1) [4].
Рисунок 1. Фрагмент карты инженерно-геологического районирования (масштаб 1 : 5 000)
Выводы
Основным средством обеспечения надежности и экономичности строительства и эксплуатации протяженных линейных объектов, прокладываемых в районах развития многолетнемерзлых грунтов, является достоверная и достаточная информация об инженерно-геологических и мерзлотно-гидрогеологических условиях, полученная с использованием комплекса методов.
1. Дубенков А. А. Комплексная оценка инженерно-геологических и мерзлотных условий при районировании трассы дороги / Дубенков А. А. // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 4 (32). — С. 46–52.
2. Нугманова Э. Д. Анализ природных и техно-природных процессов на объектах транспортной инфраструктуры Тарынского хаба / Нугманова Э. Д. [и др.] // Engineering and Mining Geophysics 2019, 15th Conference and Exhibition Engineering and Mining Geophysics 2019. — Gelendzhik, 2019.
3. Пендин В. В. Комплексный количественный анализ информации в инженерной геологии / Пендин В. В. — М.: КДУ, 2009.
4. Савинцев И. А. Обеспечение условий строительства автомобильных дорог в районах развития многолетнемерзлых пород инженерно-геологическими данными / Савинцев И. А. [и др.] // Engineering and Mining Geophysics 2018, 14th Conference and Exhibition, Extended Abstracts. — https://doi.org/10.3997/2214-4609.201800542.
