Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Мониторинг оползневых деформаций на автомобильной дороге М-7 «Волга»

Оборудование инклинометрических скважин, проведение инструментальных наблюдений за оползневыми деформациями на объекте

«Оборудование инклинометрических скважин, проведение инструментальных наблюдений за оползневыми деформациями на объекте «Строительство и реконструкция автомобильной дороги М-7 «Волга»», с выявлением фактической поверхности скольжения и потенциально возможных зон оползневых смещений, расчетами устойчивости и рекомендациями по защитным мероприятиям»

Проведение исследований по теме связано с необходимостью завершения строительства автодороги на правом склоне долины р. Суры к новому автодорожному мосту через реку. Отсыпку земляного полотна должны были закончить еще в 2012 г. Но в мае 2012 г. начались деформации насыпи, еще не достигшей проектного очертания. При этом на верхней площадке насыпи, ее откосах и прилегающей территории образовались протяженные трещины с амплитудой оседания низового плеча до 1,0 м. В результате работы по сооружению нового участка автодороги (1-ая очередь) были прекращены (частично произведено удаление насыпного грунта) и не возобновлялись до 2014 г.

За период 2012-2014 гг. были составлены Заключения по оценке состояния насыпи и необходимым мероприятиям рядом научных организаций (ЧГУ — Чебоксары, МГУ, МАДИ, ИГЭ РАН, НИИОСП — Москва, КГАУ — Краснодар) проведены дополнительные инженерно-геологические изыскания (ГипроДорНИИ – Саратов), но по-прежнему не удалось установить причины и механизм разрушительных де

формаций земляного полотна автодороги и, соответственно, предусмотреть необходимые мероприятия для завершения строительства автодороги 1-ой очереди.

Задачей исследований в соответствии с Техническим заданием предусматривалось проведение мониторинга на деформирующемся участке посредством инклинометрических измерений с выявлением поверхности скольжения, и выполнение расчетов устойчивости (с учетом результатов измерений) для обоснования возможных защитных мероприятий.

Работы выполнялись в соответствии с требованиями нормативных документов Российской Федерации к инженерно-геологическим изысканиям и проектированию защитных мероприятий [1-10].

Фото 1. Оползневая трещина на насыпи. Восточный край оползня (ПК 39+60) (фото Петрова Н.Ф.).

Задачу выявления действительной поверхности скольжения на рассматриваемом участке, по которой происходит смещение грунтовых массивов, в том числе насыпных грунтов сооружаемой автодороги, должны были решить инклинометрические измерения.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН ОПОЛЗНЕВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ ОПОЛЗНЯ

Описание метода инклинометрии и аппаратуры

Инклинометрия — это методика, позволяющая определять угол отклонения оси скважины от вертикали во всех точках на протяжении скважины (то есть получить пространственное положение скважины) на заданный момент времени.

Высокоточные инклинометрические наблюдения позволяют определить глубину поверхности скольжения и проследить динамику оползневых смещений (величины перемещений). После обустройства скважины выполняются первоначальные замеры. В дальнейшем выполняя периодические режимные наблюдения, сравнивают текущие замеры с первоначальными замерами. При этом глубина инклинометрической скважины должна превышать глубину ожидаемого расположения поверхности скольжения.

Инклинометрический зонд используется для измерения угла отклонения ствола скважины. Пробуренная до проектной глубины скважина обсаживается специализированной обсадной инклинометрической трубой (фото 2), в которой ведутся измерения при помощи инклинометрического зонда.

Фото 2. Обустройство инклинометрической скважины специальными трубами с пазами.

Основные технические характеристики применяемого в ИГЭ РАН инклинометра (итальянский инклинометр фирмы SISGEO, фото 3):

• Диапазон измерений: ±30° от вертикали
• Измерительная база зонда: 500 мм
• Чувствительность зонда: 0.00017°
• Разрешающая способность: ±0.025 ммx 500 мм
• Повторяемость (воспроизводимость): ±0.050 ммx 500 мм
• Точность: ±1.5 ммнабазе 25 м.

Результаты инклинометрических наблюдений позволяют оценить величину латерального перемещения грунта и определить глубину поверхности смещения.

Фото 3. Комплект оборудования для скважинной инклинометрии (на фото скважина №5 на участке автодороги).

Кривая деформации колонны инклинометрических труб в скважине рассчитывается по значениям угла отклонения зонда на различных глубинах измерения (относительно плоскостей Z-X и Z-Y). В результате обработки данных измерений строится график, отображающий фактический профиль колонны инклинометрических труб по трем координатным осям.

Основные результаты исследований

Была разработана схема размещения инклинометрических скважин на участке ПК 34+00 – ПК 40+00 и осуществлена привязка сети мониторинга на местности. В буровые скважины (глубиной 18-21 м), специально подготовленные Заказчиком, были установлены пластиковые инклинометрические трубы (ИГЭ РАН) с пазами, производства Sisgeo (Италия). Скважины совместно с Мостотрядом-41 оборудованы защитными антивандальными оголовками. Институтом геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН) режимные инклинометрические наблюдения. Получены данные о величинах смещений оползня, развитии деформаций по глубине в течение контролируемого периода и о местоположении в массиве основной поверхности скольжения.

В дальнейшем произведен анализ полученных результатов, выполнены исследования оползневой обстановки в долине р. Сура и в районе работ, сделаны расчеты устойчивости склона с учетом данных инклинометрии.

В результате проведенных исследований установлено:

1. В период повторной отсыпки насыпи на ПК 34+00 – ПК 40+00 (после разрушительных деформаций 2012 г.), зафиксировано по данным инклинометрических измерений начало активизации оползневого процесса.

2. На этапе малых величин измеряемых деформаций четко установлена поверхность скольжения (отметка поверхности скольжения) и скорость смещения оползневого массива.

3. Выявлен механизм развития оползневых деформаций на склоне. Результаты исследований соответствуют выявленной ранее закономерности формирования оползневых цирков в долине р. Суры со сходным геологическим строением склонов. В частности, возникновение оползневых деформаций в месте выхода источника (разгрузка горизонта), формирование оползневого очага вокруг выхода источника с разгрузкой разжиженных оползневых масс через узкую горловину на склон, и по достижении достаточных размеров очага формирование и развитие оползневых блоков, отделяющихся от краевой части плато в верхней части склона и перемещающихся по поверхности скольжения, подготовленной сдвижением разжиженных масс по плотной поверхности водоупора (коренных юрских глин).

4. Выполнены расчеты устойчивости склона на участке активизации оползневых деформаций с учетом: выявленной поверхности скольжения, техногенных нагрузок (существующих и возможных), различных значений факторов (по свойствам грунтов, обводненности, размерам участка возможного оползания, нагрузке от верхних блоков, защитным мероприятиям).

5. Разработаны рекомендации по необходимым изменениям в проектных решениях по устройству участка автодороги М-7 при подходе к мостовому переходу через р. Суру.

Ответственные дорожные сооружения расположены на оползневом участке с активным развитием оползневого процесса (имеется единая поверхность скольжения, по которой происходит смещение оползневого массива). В соответствии с нормативными документами необходим мониторинг за состоянием оползневого склона и расположенными на нём сооружениями в целях обеспечения безопасного функционирования магистрали М-7 «Волга». Для контроля развития оползневых деформаций на участке и соответственно для оценки эффективности предлагаемых противооползневых мероприятий рекомендовано организовать автоматизированный мониторинг. Предложенная система мониторинга, разработанная в ИГЭ РАН, позволит измерять в автоматическом режиме (экстензометрия) с чувствительностью 0,2 мм (в плане) и в режиме посещения определять глубинные деформации в массиве, а также контролировать данные автоматического мониторинга в случае фиксирования существенных подвижек (инклинометрия) с определением в разрезе поверхности скольжения и эпюры глубинных деформаций.

Описание измерительного оборудования

Измерительная часть экстензометра размещается в колодце (см. рис. 1). Датчик смещения (УДС – универсальный датчик смещения конструкции ИГЭ РАН) закрепляется в несмещаемой части массива. Измеряется удлинение тросов (перемещение анкера) с разрешающей способностью 0,2 мм относительно анкера, устанавливаемого на склоне(трос прокладывается в траншее).

Структурная схема предлагаемой системы автоматизированного мониторинга приведена на рис. 2. Она разработана на основе технических и программных средств, созданных в Институте геоэкологии РАН.

Как видно из рис. 2, система представляет необходимый набор датчиков контроля, соединенных с соответствующими блоками сбора и передачи данных.

Все оборудование размещается в специальных колодцах, закрытых люками, что позволяет защищать его от несанкционированного доступа.

Блок сбора и передачи данных предназначен для сбора информации с цифровых датчиков по заданной программе и передачи собранной информации в центр сбора информации, который может быть оборудован в любом удобном Заказчику помещении.

Все оборудование работает в автономном режиме либо от аккумуляторов ёмкостью 42 А-ч, которых хватает на 8-10 месяцев непрерывной работы, либо от сети. Информация от блока сбора и передачи данных передается в центр сбора информации по GSM каналу.

Центр сбора информации может быть реализован на персональном компьютере, совместимом с IBMPC.

Система автоматизированного мониторинга работает в режиме охранной сигнализации, т.е. в каждом устройстве, которое контролирует один из параметров, можно выставить заранее порог срабатывания, при превышении которого будет послан сигнал тревоги в центр сбора информации. Сигналы тревоги посылаются также и при несанкционированном доступе к оборудованию.

Рис. 1. Схема створа экстензометра с измерительным оборудованием.

Рис. 2. Структурная схема системы автоматизированного мониторинга.

Примеры обработанных данных автоматического экстензометрического и инклинометрического мониторинга представлены на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Пример данных автоматизированного мониторинга экстензометрии (ИГЭ РАН) на оползне (участок «Горная Карусель») в Красной поляне (Сочи).

Рис. 4. Пример данных инклинометрических наблюдений на оползне (участок «Горная Карусель») в Красной поляне (Сочи). На графике приведены данные измерений за август 2010г. Измерения выполнены ИГЭ РАН (на глубине 7.5 м выявлена поверхность скольжения).

Ожидаемые результаты. В режиме «online» по данным автоматизированного мониторинга выявляются глубина и величины возможных оползневых смещений в пределах оползневого склона. Автоматизированный деформационный мониторинг позволяет осуществлять:

• оперативный прогноз изменений состояний грунтового массива для оценки безопасности функционирования федеральной автодороги и обоснования решений по необходимым мероприятиям в экстренных ситуациях;
• осуществлять прогноз активизации и развития оползневых деформаций на склоне и заблаговременного предупреждения о приближении возможных экстренных ситуаций, связанных с интенсификацией оползневых смещений на склоне;
• сопоставлять результаты взаимосвязей показаний точек контроля по данным мониторинга состояния грунтового основания насыпей автодороги, конструктивных элементов инженерной защиты и оползневых деформаций склонового массива.

Институт геоэкологии РАН может создавать системы (подсистемы) автоматизированного мониторинга состояния склоновых массивов под ключ:

• Рабочее проектирование
• Поставка оборудования
• Монтаж оборудования
• Пуско-наладочные работы
• Ввод в опытную эксплуатацию
• Техническое сопровождение
• Научное сопровождение

Институт геоэкологии РАН сертифицирован на данный вид работ по стандарту ГОСТ Р ИСО 9001-2001.

Оборудование Института геоэкологии РАН имеет соответствующие сертификаты.

 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 НОРМАТИВНАЯ

1. СП 11-105-97. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасныхгеологических и инженерно-геологических процессов. М.: 2000.

2. СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения». М., 2004.

3. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. М., 2003.

4. СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения». М.: Госстрой России. 2004.

5. ГОСТ Р 54257-2010. НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ОСНОВАНИЙ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ. М.: 2010.

6. СП 20.13330.2011. «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. Москва. 2011.

7. СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. Москва. 2011.

8. СП 116.13330.2012 Актуализированная редакция «СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения»

9. СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений». Москва. 2005.

10. СП 32-104-98 «Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм». Москва. 1998.

ОПУБЛИКОВАННАЯ

11. Гинзбург Л.К. Рекомендации по выбору методов расчета коэффициента устойчивости и оползневого давления. -М.: Центр. бюро научн.-техн. инф., 1986.

12. Постоев Г.П., Казеев А.И Анализ мероприятий по защите склоновой территории от глубоких оползневых подвижек // Геоэкология. 2013. №3. С. 224-231.

13. Тихвинский И.О. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. -М.: Стройиздат, ПНИИИС, 1984. –80 с.