Межскважинное сейсмическое просвечивание – важный инструмент инженерно-геологических изысканий на площадках строительства объектов повышенной ответственности

Галушкин И.В. ¹, Кухмазов С. У. ¹, Рагозин Н.А. ^1
1 – АО «Институт «Оргэнергострой»,

Аннотация: проведение инженерно-геологических изысканий при проектировании и строительстве объектов использования атомной энергии, относящихся к особо опасным и технически сложным, требует получения достоверных и достаточных данных, необходимых на всех этапах: от выбора места для строительства, разработки проектной и рабочей документации до специальных исследований во время строительства и эксплуатации объектов. Значительную роль в таких исследованиях играет инженерная сейсмоакустика. Одним из самых эффективных и перспективных методов сейсмоакустических исследований является межскважинное сейсмическое просвечивание (МСП). В статье представлен краткий обзор работ с использованием МСП за последние годы, выполненных как российскими, так и иностранными специалистами на объектах атомного строительства. Проанализированы полученные при этом результаты. Сделан обзор стандартов и нормативных технических документов, регламентирующих проведение МСП на объектах атомного строительства. На примерах конкретных работ, выполненных специалистами АО «Институт “Оргэнергострой”», продемонстрирована высокая эффективность применении МСП. Описывается опыт сейсмотомографического просвечивания на продольных и поперечных волнах до глубины 120 м на месте проектируемого реактора атомной электростанции, оборудование, конструкция скважин, расстояния между ними, методика проведения полевых исследований и обработки полученных результатов. Продемонстрированы возможности МСП на продольных волнах при проведении работ в целях детального изучения тектонического строения и выявления предполагаемых тектонических нарушений. Показаны возможности МСП для определения динамических свойств укрепленных грунтов при проведении геотехнического контроля на этапе строительства. Даются рекомендации по практической реализации метода МСП не только в процессе инженерно-геологических изысканий для строительства, но и при дальнейшей эксплуатации сооружений повышенной ответственности в сложных геотехнических условиях.

Ключевые слова: межскважинное сейсмическое просвечивание (МСП); объект повышенной ответственности; объект использования атомной энергии; сейсмотомография; сейсмические свойства грунтов; скорости продольных Р- и поперечных S-волн; геотехнический контроль.

Введение

Согласно СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96» и СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ» инженерно-геофизические исследования входят в комплекс работ при инженерно-геологических изысканиях (ИГИ) и выполняются на всех стадиях работ.

Одними из основных задач инженер но-геофизических исследований в соответствии с СП 446.1325800.2019 являются оценка состава, состояния и свойств грунтов в массиве и их изменений во времени, выявление и изучение геологических процессов и их изменений во времени, обнаружение и изучение локальных неоднородностей, изучение напряженно-деформированного состояния грунтового массива, сейсмическое микрорайонирование.

Значительную роль при решении этих задач играет инженерная сейсмоакустика, позволяющая измерять скорости продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн в широком диапазоне частот (от 40–50 Гц до 100 кГц) [6, 10, 13]. Преимущество сейсмических методов проявляется в том, что они позволяют в сжатые сроки и с минимальными затратами изучать распределение показателей динамических свойств грунтов в достаточно большом массиве (in situ) с детальностью, не доступной для существующих инженерно-геологических методов. Кроме того, они высокоинформативны при исследованиях на значительных глубинах (100 м и более).

Одним из самых эффективных и перспективных методов сейсмоакустических исследований является межскважинное сейсмическое просвечивание (МСП). Оно заключается в возбуждении упругих колебаний в одной скважине при приеме в другой [2, 12]. На современном этапе существует несколько вариантов проведения МСП [12]. При появлении метода под термином МСП ранее понималось в основном параллельное просвечивание на продольных и поперечных волнах. Этот вид работ особо популярен у зарубежных изыскателей и регламентируется стандартом ASTM D4428/D4428M «Standard test methods for crosshole seismic testing». В последние годы широко распространено МСП в модификациях томографического и многоволнового томографического просвечивания [2, 3, 5, 7, 9, 12, 17, 22, 23]. В настоящее время, когда употребляется термин МСП, фактически подразумевается томографическое просвечивание. В этой модификации метода прием и возбуждение упругих волн производят последовательно в скважинах по всей глубине, в пределах изучаемого массива глубин, таким образом, чтобы все межскважинное пространство в пределах изучаемого интервала было освещено проходящими волнами [2, 12]. В результате можно получить матрицу времен первых вступлений для всех лучей, соединяющих источники и приемники. На основе этих времен путем решения обратной задачи томографии рассчитывается скоростная модель среды в межскважинном пространстве [2, 7, 11, 14, 17]. Данные о распределении скоростей продольных и поперечных волн и значения плотности, полученные по результатам бурения или геофизических исследований скважин, позволяют определить динамические параметры среды (модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) [2, 5, 6]. В дальнейшем, используя корреляционные связи между определяемыми при сейсмических наблюдениях характеристиками (модули упругости) и специфическими инженерными (деформационно-прочностными) параметрами [2, 6, 10, 13], можно перейти к определению параметров грунта, необходимых для строительных целей.

Несмотря на то что метод МСП известен достаточно давно, в имеющихся на современном этапе публикациях дается недостаточно информации о его применении на объектах атомного строительства. Основные варианты использования — это исследование грунтов на месте предполагаемого строительства для поиска возможных полостей, зон повышенной трещиноватости в скальных и полускальных грунтах, изучение возможных неоднородностей и значительных изменений прочностных и деформационных свойств дисперсных грунтов. Целью исследований является получение данных о свойствах грунтов, необходимых для обеспечения безопасности при проектировании атомной электростанции (АЭС). Как правило, особенно для скальных и полускальных грунтов, такие работы проводятся только на продольных P-волнах, а в случае использования поперечных S-волн — в ограниченном варианте, без использования сложных томографических схем. Однако в процессе строительства и эксплуатации АЭС сейсмические свойства грунтов могут измениться, возможно их ухудшение под воздействием нагрузки от сооружений, поэтому возникает проблема контроля и прогноза состояния грунтов под возводимыми объектами. Здесь требуется проведение МСП в расширенном объеме, обязательно с регистрацией поперечных волн.

Одними из первых были описаны подобные работы по МСП, проведенные турецкими геофизиками при выборе площадки строительства АЭС «Аккую-1» (Турция) [20, 21]. Результаты этих исследований показали высокую эффективность МСП для определения динамических параметров грунтов и выделения ослабленных зон. Отмечено, что скорости поперечных волн гораздо более чувствительны к изменениям характеристик среды, чем другие параметры.

Аналогичные работы с применением МСП были выполнены при геофизических исследованиях для изучения оснований энергоблоков 3 и 4 АЭС «Тарапур» в штате Махараштра (Индия) [24, 25]. Просвечивание проводилось на глубину до 51 м как до начала работ, так и после углубления котлована под реакторами взрывным способом. Сравнение скоростей продольных и поперечных волн до и после выемки грунта позволило сделать вывод о том, что целостность скального массива не была нарушена.

По результатам многоволнового томографического просвечивания на площадке АЭС «Тарапур» выделили три ослабленные зоны, которые необходимо учитывать при строительстве, чтобы избежать неблагоприятных воздействий на фундамент ядерных реакторов в случае землетрясения.

Особо интересен опыт проведения МСП непосредственно под существующим зданием реактора, где грунтовый массив не доступен для традиционных методов [1, 9, 19].

Так, в [19] приведена оценка влияния нагрузки от здания реактора, выполненная специалистами АО «Атомэнергопроект» на площадке строительства предполагавшейся Крымской АЭС. Первоначальное распределение скоростей продольных волн (Vp) определено методом сейсмопрофилирования и сейсмического просвечивания с малой (до 20 м) базой. После возведения здания реактора под ним было выполнено МСП на продольных волнах с большой базой (80 м) до глубины 100 м. Эти работы позволили построить томографический разрез скоростей Vp под зданием. Получившийся разрез отражает перераспределение напряжений при нагрузке от данного сооружения в конкретных грунтовых условиях и хорошо согласуется с результатами моделирования зон тектонических сдвигов. В [19] был сделан вывод, что периодический контроль волнового поля, как продольного, так и поперечного, позволяет получать достоверную информацию о процессе уплотнения грунтового основания фундамента, возможных аномальных изменениях в период эксплуатации и дает возможность корректировать предварительные оценки устойчивости фундамента и его реакции на различные внешние воздействия, а также рекомендовать инженерные решения по устойчивости и совершенствованию объекта.

Еще одним из важных примеров является изучение сейсмических характеристик грунтов под фундаментами старых блоков Бушерской АЭС (Иран), выполненное в 1999 и 2001 гг. [1, 9]. Проведенное сейсмическое просвечивание на продольных волнах в трех скважинах по периметру здания реактора до глубины 100 м позволило выделить неоднородности различного масштаба под фундаментом [1]. Скорости поперечных волн удалось получить по косым лучам, когда источник располагался на поверхности, а регистрация велась в скважине на противоположной стороне трехкомпонентным 3С-зондом [9]. Сравнение данных о скоростях, полученных в 1975 г. фирмой Dames and Moore (США), до начала строительства и позже показало увеличение скоростей поперечных волн на 20–25% в интервале глубин до 30 м от подошвы фундамента [1, 9]. Это позволяет сделать вывод об улучшении несущей способности грунтов под реакторным блоком [9].

Описывается МСП на продольных волнах, проведенное по восьми плоскостям наблюдения для пяти скважин, расположенных конвертом, с расстояниями между ними от 24 до 35 м, на высокоскоростных полускальных грунтах. Глубина центральной скважины была равна 120 м, остальных — 70 м. Для некоторых плоскостей просвечивания использовались наблюдения на поверхности. Качество данных позволило определять времена прихода упругих волн с высокой точностью (до 0,1 мс), что в дальнейшем положительно сказалось на разрешающей способности. Скоростные разрезы выявили аномалии скорости вблизи скважин, интерпретированные совместно с результатами ранее проведенных гидрогеологических исследований. Ни один из наземных геофизических методов, ранее применявшихся на этом участке, не показал такой степени точности и детализации.

На современном этапе основными нормативными техническими документами, которыми необходимо пользоваться при проведении МСП, являются:

• СП 47.13330.2016;
• СП 446.1325800.2019;
• СП 151.13330.2012 «Инженерные изыскания для размещения, проектирования и строительства АЭС (Части I и II)»;
• СТО 95 12024-2017 «Инженерные изыскания при строительстве атомной станции. Геофизические исследования. Технические требования к производству работ».

Кроме того, необходимо придерживаться Руководства по безопасности МАГАТЭ № NS-G-3.6 «Геотехнические аспекты оценки площадок и оснований АЭС».

В СП 446.1325800.2019 (п. 7.2.21.1) говорится: «Для сооружений повышенного уровня ответственности рекомендуется выполнять сейсмоакустическое или радиоволновое просвечивание массива между скважинами или горными выработками». Примерно такие же рекомендации даются в Руководстве по безопасности МАГАТЭ № NS-G-3.6, где в условиях сложного строения подстилающей среды рекомендуется использовать размещение источников в одной скважине, а приемников — в другой.

Более конкретно применение данного вида работ обосновано в СП 151.13330.2012 (Часть 1). В нем сейсмическое просвечивание рекомендуется как один из геофизических методов, используемых, начиная с этапа выбора площадки. Там же обозначена минимальная глубинность исследований: «Характеристика грунтов (пород) каждой площадки размещения АЭС на глубину до 120 м (послойно) должна включать: мощность, плотность, скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн; модуль сдвига (модуль поперечной упругости), модуль Юнга (продольной упругости), сейсмическую жесткость, коэффициент Пуассона». Примерно то же значение глубины (100 м) указывается в НП 031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций».

В СП 151.13330.2012 (Часть 2) говорится, что для детального изучения неоднородности строения массива рекомендуется применять «томографическое сейсмическое просвечивание (ТСП) в нескольких плоскостях». «Глубина скважин должна превышать глубину сжимаемой зоны основания реакторного отделения и главного корпуса для скальных и полускальных пород на 5–10 м, для нескальных — на 10–20 м. В сложных инженерно-геологических условиях глубина исследований может быть увеличена. Глубина центральной скважины в основании каждого реакторного отделения — не менее 120 м».

Наиболее детально применение МСП на объектах строительства АЭС описано в СТО 95 12024-2017, где этот метод включен в состав обязательных при геофизических исследованиях скважин:

«10.13.1 Межскважинное сейсмическое просвечивание в зависимости от сложности инженерно-геологических условий, решаемых задач и технических возможностей следует выполнять в следующих модификациях:

• однолучевое параллельное просвечивание на продольных волнах;
• многоволновое параллельное просвечивание;
• томографическое просвечивание на продольных волнах;
• многоволновое томографическое просвечивание.

10.13.2 Под реакторными зданиями межскважинное сейсмическое просвечивание следует выполнять на продольных и поперечных волнах. Под остальными зданиями и сооружениями рекомендуется выполнять томографическое просвечивание на продольных волнах.

10.13.3 Количество пар скважин для межскважинного сейсмического просвечивания, расстояние между ними и их расположение следует выбирать, исходя из инженерно-геологических условий, положения литолого-стратиграфических границ, направления и размеров предполагаемых неоднородностей и конкретной модификации межскважинного сейсмического просвечивания».

Там же сформулированы требования к конструкции скважин, используемых для проведения работ, источникам и приемникам сейсмических сигналов, методам обработки и т.д.

Опыт применения МСП при решении конкретных задач на объектах атомно-энергетической отрасли

Далее показано, что дает использование МСП на современном уровне (конкретные примеры из опыта работ специалистов АО «Институт “Оргэнергострой”»).

На рис. 1 приведена схема проведения МСП в контуре проектируемого реактора АЭС.

Количество скважин отвечает СП 151.13330.2012 — «число глубоких скважин в пределах каждого контура должно быть не менее 5». Скважина С-3 расположена в центре проектируемого реакторного отделения, остальные — конвертом, максимальное расстояние между скважинами С-3 и С-4 составляет 29 м, минимальное между С-3 и С-5 — 19 м. Глубина скважин выбрана с учeтом ожидаемой величины сжимаемой зоны под ядерным островом (включая здание реактора) и достигает 150 м. Скважины обсажены пластиковыми трубами на всю глубину, затрубное пространство зацементировано, однако из-за особенностей геологического строения в верхней части (около 25 м) осталась обсадная колонна, что негативно сказалось на качестве полученных данных в этом интервале глубин.

Согласно п. 10.13.2. СТО 95 12024-2017 под реакторными отделениями следует выполнять МСП на продольных и поперечных волнах. Пример подобных работ описан в [5]. Однако использованная тогда геометрия скважин не позволила при просвечивании достигнуть глубин больше 65–67 м, а главное — при проведении работ использовался только источник поперечных волн, который работал в ограниченном диапазоне разносов и сильно ограничивал возможности получения данных по продольным волнам.

В данном случае работы были выполнены по методике томографического просвечивания на продольных (Р) и поперечных (S) волнах отдельно.

При просвечивании на P-волнах в качестве источника возбуждения использовался импульсный сейсморазведочный источник Pulse с накопителем энергии Jack-1500. Прием осуществлялся на 24-канальную гидрофонную косу WellStreamer с шагом геофонов 1 м (все оборудование — ООО «Геодевайс»).

В центральную скважину (С-3) помещался электроискровой источник продольных волн, в остальные — приемная гидрофонная коса.

Рис. 1. Схема расположения скважин при проведении многоволнового МСП.

Возбуждение продольных и поперечных волн проводилось в скважине С-3, прием — в скважинах С-1 — С-4: слева — проекция положения ствола скважин на поверхность наблюдений; справа — фактическое положение скважин с учетом инклинометрии.

Регистрирующая коса вначале опускалась в скважину так, чтобы нижний гидрофон находился в одном метре от забоя. Измерения проводились последовательно при перемещении источника вдоль всего ствола скважины с шагом 1 м от уровня грунтовых вод (УГВ) до забоя. После этого приемная гидрофонная коса поднималась на 23 м, и цикл измерений повторялся для всех положений источника колебаний. Поскольку работа гидрофонов невозможна в сухой скважине, регистрация проводилась до тех пор, пока они не попадали в сухую часть выше УГВ.

В результате удалось получить сейсмограммы в диапазоне глубин от 10 до 143–145 м.

Для просвечивания на поперечных S-волнах в качестве источника использовался импульсный сейсморазведочный источник SHock с накопителем энергии Jack-1500. Регистрация велась на восьмиточечный (шаг между модулями — 1 м) многоуровневый зонд GStreamer. Ввиду того, что до этого отсутствовал опыт использования данного оборудования в полевых условиях, в ходе исследований осуществлялись устранение недостатков систем возбуждения и регистрации сигнала и совершенствование методики проведения работ на поперечных волнах на глубинах до 120 м.

Последовательность работ была такой же, как и для продольных волн. Источник помещался в центральную скважину, а зонд — в одну из тех, что расположены по периметру, на максимально возможную глубину (до 124 м). После этого проводилась регистрация при возбуждении колебаний с шагом 1 м по глубине. Записи наблюдений осуществлялись при последовательном возбуждении колебаний от источника в двух противоположных направлениях, перпендикулярных к линии, соединяющей оси источника и приемника, с шагом 1 м. Диапазон глубин возбуждения сигнала для одной расстановки составлял 45–60 м с центром диапазона в центре приемной расстановки. После проведения измерений для заданного диапазона глубин источника приемная расстановка поднималась на 7 м и цикл наблюдений повторялся.

По данной методике последовательно были отработаны все сечения из скважины С-3 на скважины С-1, С-2, С-4 и С-5.

В результате для продольных волн диапазон максимальной непрерывной регистрации составил 135 м, для поперечных — 60–65 м.

Примеры сводных сейсмограмм P- и S-волн приведены на рис. 2. Здесь же показаны спектры Фурье, определенные в области первых вступлений продольных и поперечных волн. Хорошо видно, что спектр P-волн имеет значительно бо́льшую ширину и более высокие преобладающие частоты.

Предварительная обработка полученных данных выполнялась в программном комплексе RadExPro (ООО «Деко-геофизика СК»).

Основой для проведения дальнейшей интерпретации служит надежное выделение первых вступлений. Если для продольных P-волн это не вызывает особых проблем, то для поперечных требуются особые процедуры обработки, например, ориентировка горизонтальных компонент трехкомпонентной записи. Подробно данные приемы описаны в [5, 12]. Пример сводной сейсмограммы, полученной в результате таких действий, приведен на рис. 2, b.

Рис. 2. Сводные сейсмограммы, полученные при МСП.

a — P-волны, источник — в скважине С-3 на глубине 69 м, прием — в скважине С-2 в диапазоне глубин от 10 до 144 м; b — S-волны, источник — в скважине С-3 на глубине 89 м, регистрация — в скважине С-2 в интервале глубин 61–124 м.

В итоге вдоль сечения, где проводилось МСП, были получены наборы значений времен вступлений продольных и поперечных волн, а также координаты положений источников и приемников по горизонтали и вертикали. В идеале предполагается, что они лежат в одной плоскости, а скважины — вертикальные, но в действительности это не так. На рис. 1, где приведена схема скважин, вынесено их фактическое положение с учетом выполненной инклинометрии, которая рекомендуется как вспомогательный метод при проведении МСП в п. 10.13.4 СТО 95 12024-2017. Из рис. 1 видно, что отклонение проекции ствола скважины от начальной точки может достигать 6–7 м, причем в произвольном направлении, не совпадающем с линией просвечивания. Поэтому необходимо снести положения источников и приемников на плоскость, проходящую через скважины. На рис. 3, b приведены сейсмограммы по «прямым лучам» (глубина источников и приемников одинаковая) при просвечивании между скважинами С-2 и С-3, на рис. 3, а — расчет скоростей вдоль этих лучей с учетом фактического расстояния между скважинами на данной глубине и при фиксированном расстоянии, взятом по координатам устья. Так, величина скорости Vp на глубине 140 м с учетом и без учета инклинометрии получается равной 2050 и 2400 м/с соответственно, т.е. возможная ошибка достигает 15– 20%. Там же приведены данные акустического каротажа в скважине С-3. Они показывают хорошее соответствие с величиной скорости, при расчете которой учтены данные инклинометрии.

Томографическая инверсия полученных данных по продольным и поперечным волнам выполнялась в программе ZondST2d (Zond Software). На этом этапе следует уделить особое внимание выбору алгоритма и параметров томографической инверсии. Ошибки при выборе алгоритма и параметров инверсии или задание неверной начальной модели могут привести к получению некорректных результатов, выводы на основе которых также будут ошибочными.

Подробно процесс подготовки данных для этого этапа описан в [5]. В качестве исходной принималась, как правило, или модель с постоянной скоростью, равной среднеквадратичной оценке по прямым лучам между источниками и приемниками, или модель, полученная из расчета скоростей по прямым лучам (см. рис. 3, а). Поскольку скважина С-3 является общей для всех просвечиваний, расчеты проводились одновременно по парам сечений С-4 — С-3 — С-2 и С-1 — С-3 — С-5, что позволило более полно увязать между собой результаты по отдельным сечениям.

На рис. 4 приведен результат расчета скоростей продольных волн по линии сечения скважин С-4 — С-3 — С-2 в программе ZondST2d с вынесенными на него положениями источников и приемников в скважинах c учетом инклинометрии. Подобные расчеты были выполнены для всех сечений — как для продольных, так и для поперечных волн.

Рис. 3. Результаты просвечивания по «прямым» лучам при просвечивании между скважинами C-3 — C-2

а — графики скоростей продольных волн, рассчитанных с учетом данных инклинометрии (синяя линия) и без учета данных инклинометрии (зеленая линия). Красная линия — данные акустического каротажа в скважине С-3; b — сейсмограммы по «прямым» лучам при просвечивании между скважинами C-3 — C-2; с — обобщенная геологическая колонка по линии скважин С-3 — С-2.

Используя данные о плотности, полученные на основе каротажных измерений при геофизических исследованиях скважин и лабораторных исследований, а также результаты расчетов скоростных разрезов для P- и S-волн, можно получить разрезы динамических параметров грунтов (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) для тех же сечений [5].

На рис. 5, 6 приведены скоростные разрезы на продольных и поперечных волнах, увязанные между собой для всех сечений. Представленные модели позволяют наглядно представить «скоростную структуру» грунтового массива под зданием реактора. Особенно большое значение имеет возможность определить профиль поперечных волн на всю глубину сжимаемой зоны, поскольку эти данные необходимы для построения обобщенной сейсмогеологической модели и расчетов сейсмической опасности с учетом грунтовых условий. Следует отметить, что получившиеся модели нельзя считать полноценными трехмерными. К сожалению, при данной плотности покрытия вся область между взаимно перпендикулярными сечениями оказывается неохваченной и экстраполяция показателей по плоскости сечений в конкретном случае будет некорректной. Для получения фактической 3D-модели необходимо как минимум в два раза увеличить количество сечений с добавлением промежуточных скважин по центрам треугольников, связывающих скважины по периферии с центральной.

Рис. 4. Результат расчета скоростей продольных волн по линии сечения скважин С-4 — С-3 — С-2 в программе ZondST2D с вынесенными на него положениями источников и приемников в скважинах c учетом инклинометрии.

В принятых в последнее время нормативных технических документах отсутствует термин «точность изысканий» в отношении сейсморазведочных работ и, в частности, МСП. Согласно общепринятым оценкам разрешающую способность сейсмических исследований можно оценить как радиус эффективной области на поверхности фронта сферической волны, равный 1/2√λR, где λ — длина волны, а R — расстояние по сейсмическому лучу.

При средней скорости продольных P-волн 2000 м/с и центральной частоте сигнала 800 Гц длина волны составляет 2,5 м, расстояние между скважинами — 25 м, соответствующее разрешение — ~ 4,0 м.

Для поперечных S-волн средняя скорость равна 450–500 м/с, средняя частота — 200 Гц. При расстоянии 25 м можно получить ту же величину — ~ 3,8– 4,0 м. Поэтому при принятой для проведения МСП методике наблюдений с шагом между пунктами возбуждения и регистрации в 1 м по глубине на эту зону попадает как минимум четыре точки.

Примеры моделирования МСП, описанные в [3, 15, 18], подтверждают возможность выделения неоднородностей такого размера. В то же время результаты полноволнового моделирования в Tesseral (Tesseral Technolgies Inc) [18], показывают, что разрешающая способность МСП может быть значительно выше определенной по размеру френелевского радиуса.

Приведенные оценки показывают, что при использовании описанной методики и выбранного комплекта оборудования разрешающая способность на продольных и поперечных волнах примерно одинакова. В то же время трудозатраты для проведения МСП на поперечных волнах существенно выше. Так, на одном комплекте оборудования за полный рабочий день можно сделать до 500–600 физических наблюдений на продольных и 120–150 на поперечных волнах. Из этого следует, что МСП на S-волнах целесообразно применять только для особо ответственных сооружений, где детальное изучение их скоростей действительно необходимо. В остальных случаях можно проводить просвечивание на продольных волнах.

Пример таких работ демонстрируется ниже. На рис. 7 приведен результат просвечивания на продольных волнах на площадке предполагаемого размещения АЭС в целях изучения тектонического строения и выявления возможных тектонических нарушений.

Рис. 5. Результат расчета скоростей продольных P-волн под реакторным отделением.

Рис. 6. Результат расчета скоростей поперечных S-волн под реакторным отделением.

Рис. 7. Результат расчета при просвечивании на продольных P-волнах на площадке предполагаемого размещения АЭС в целях детального изучения тектонического строения и выявления возможных нарушений.

Методика проведения работ была идентична описанной ранее в статье. Исследования проводились по системе профилей. Максимальная длина профиля составила 350 м, расстояние между скважинами в среднем — 25–30 м, максимальное расстояние — 43 м, глубина скважин — от 100 до 150 м.

На разрезах хорошо выделяется чередование высокоскоростных и низкоскоростных слоев, отмечена их хорошая увязка в месте пересечения профилей.

Рис. 8 демонстрирует фрагмент профиля от скважины С-15 до скважины С-23, построенный с большей детальностью. Четко прослеживается падение слоев, начиная с глубины 30–35 м слева направо.

На рис. 9 приведен пример профиля, пересекающего зону предполагаемого погребенного тектонического нарушения. По изолиниям скоростей продольных волн она хорошо проявляется в районе скважины С-32. Заметно, что вышележащие слои не затронуты этим нарушением и имеют горизонтальное залегание.

Рис. 8. Фрагмент профиля, приведенного на рис. 7 от скважины С-15 до скважины С-23, построенный с бо́льшей детальностью, демонстрирующий падение слоев слева направо.

Рис. 9. Пример профиля на продольных P-волнах, пересекающего место погребенного тектонического нарушения. Предполагаемое тектоническое нарушение в районе скважины С-32 выделено красными линиями.

В процессе проведения ИГИ часто возникает задача геотехнического контроля при проведении работ по закреплению грунтов. Одним из наиболее эффективных методов при этом является МСП [8, 16, 18].

Ниже приведены методика и результаты данных работ на примере исследований, выполненных при строительстве АЭС «Руппур» в Бангладеш. Геологический разрез на данной площадке представлен толщей водонасыщенных аллювиальных песчано-глинистых отложений (aIV) р. Падма. По сейсмическим свойствам грунты площадки относится к III категории. В процессе обобщения результатов ИГИ был сделан вывод, что площадка находится в неблагоприятных грунтовых условиях. С учетом повышенного уровня ответственности проектируемых сооружений принято решение о преобразовании строительных свойств грунтов под зданиями реакторов, основных и вспомогательных сооружений. Укрепление грунтов выполнялось при помощи технологии их стабилизации методом глубинного смешивания (струйная геоцементация). При этом буровая установка с помощью бурового наконечника диаметром 2 м подает в грунт под большим давлением смесь воды с цементом, размывая скважину. При достижении проектной глубины (от 10 до 20 м) буровой наконечник медленно поднимается, подавая цементный раствор. Таким образом получается грунтоцементная свая. Сваи располагаются внахлест, как лепестки ромашки, образуя сплошной массив.

Для геотехнического исследования укрепленного грунта в дополнение к полевым инженерно-геологическим (прессиометрия, штамповые испытания) и лабораторным испытаниям были выполнены работы по МСП на продольных и поперечных волнах.

Система наблюдений на P-волнах предусматривала последующую обработку по методу сейсмотомографии. Методика проведения работ была аналогичной описанной при МСП в глубоких скважинах, но соответствующий шаг по вертикали для источников и приемников составлял 0,5 м.

Если при проведении МСП на стадии поиска разломов или под зданием реактора приходится работать исключительно ниже УГВ, т.е. верхние 10–12 м остаются неосвещенными и могут быть исследованы наземными методами, то при геотехническом контроле информация о первых 3–4 м играет очень большую роль. Как показано в [15], «введение дополнительной линии источников (приемников), соединяющих на поверхности устья скважин, улучшает качество реконструкции моделей всех типов в верхней части разреза, в интервале глубин 1/2–1/3 глубины расстановки». Поэтому для получения более полной информации МСП было проведено в расширенном варианте [12] с регистрацией на дневной поверхности. Вертикальные сейсмоприемники располагались по линии между скважинами с шагом в 1 м.

На рис. 10 показан пример распределения скоростей продольных волн на укрепленных грунтах по результатам решения обратной томографической задачи между скважинами BH_1 — BH_2 на участке размещения проектируемого сооружения.

Рис. 10. Пример распределения скоростей продольных P-волн на укрепленных грунтах по результатам решения обратной томографической задачи между скважинами BH_1 — BH_2 на участке размещения проектируемого сооружения.

Представленная методика хорошо работает для определения степени однородности искусственного массива, но не позволяет получить скорости поперечных волн, необходимые для оценки прочностных свойств среды. В [4, 8, 16] для решения этой проблемы рекомендуется использовать регистрацию гидроволн, по которым предлагается рассчитывать скорости поперечных волн или устанавливать корреляционные связи между скоростями продольных волн и, например, пределом прочности на одноосное сжатие. На взгляд авторов, такой подход может привести к значительным ошибкам, которые неприемлемы для геотехнических расчетов. Необходимо прямое измерение скоростей поперечных волн in situ [9].

Для реализации данного подхода по заданию АО «Институт “Оргэнергострой”» ООО «Геодевайс» изготовило малоглубинный (до 30 м) источник поперечных волн, аналогичный применяемому для глубинных работ источнику SHock.

Поскольку, как показано ранее, время проведения и объем трудозатрат при применении МСП на поперечных волнах значительно превышают соответствующие при работе на продольных, регистрация проводилась по упрощенной схеме. Для этого использовался четырехточечный трехкомпонентный зонд производства ООО «Геоспейс Технолоджис Евразия» с пассивным прижимом в виде пружины. Шаг между модулями — 1 м. Интервал наблюдений по вертикали составлял 3 м для одной расстановки. Для каждой глубины расстановки, начиная с максимально возможной, в скважине с источником проводилось возбуждение поперечных волн в двух перпендикулярных направлениях. После этого расстановка поднималась на 3 м и цикл наблюдений повторялся. Это позволило надежно выделять вступления поперечных волн. Дальнейшая обработка выполнялась на «прямых» лучах.

На рис. 11 приведены сейсмограммы по «прямым» лучам при просвечивании между скважинами BH_1 — BH_2 на участках укрепленного основания здания. В верхней части рис. 11 показан график скоростей поперечных волн.

На рис. 12 приведены осредненные данные о скоростях продольных и поперечных волн на участке укрепленного основания между скважинами BH_1 — BH_2 по данным МСП.

Используя данные о плотности укрепленных грунтов, можно перейти к значениям динамических модулей, характеризующих прочностные свойства массива.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в процессе укрепления грунтов удалось получить данные о существенном улучшении сейсмических свойств до необходимых по проектным требованиям. Следует отметить, что эти параметры зависят в т.ч. и от промежутка времени, прошедшего между окончанием укрепления массива и началом проведения геофизических работ, т.к. предполагается, что механические свойства укрепленных грунтов увеличиваются со временем. Поэтому рекомендуется предусматривать возможность проведения повторных измерений, необходимых для целей прогнозирования состояния массива во времени.

Рис. 11. Пример сейсмограммы по «прямым» лучам при просвечивании между скважинами BH_1 — BH_2 на участке укрепленного основания здания с графиком скоростей поперечных волн (верхняя часть рисунка).

Рис. 12. Осредненные данные о скоростях продольных и поперечных волн на участке укрепленного основания между скважинами BH_1 — BH_2 по данным МСП.

Заключение

Результаты проведенных исследований показали высокую информативность метода МСП при ИГИ для сооружений повышенного уровня ответственности. Применение метода позволяет в достаточно сжатые сроки получить данные для разработки объемной модели грунтового массива. Приобретенный на площадках различных АЭС опыт показывает эффективность использования методики многоволнового томографического просвечивания как на продольных, так и на поперечных волнах.

Исходя из опыта работ при оценке инженерно-геологических условий площадок АЭС и особенно при продлении сроков эксплуатации АЭС, целесообразно еще на стадии проектирования предусматривать размещение специальных скважин для проведения МСП до и после строительства в целях оценки динамики изменений геотехнических параметров под зданием реактора. Если этого не сделать, то по окончании строительства такие работы с получением достоверной информации не представляются возможными, т.к. разнос скважин до 40–60 м не позволит создать полноценную скоростную модель грунтового массива под зданием реактора.

Современное проектирование уже не рассматривается без использования BIM (building information model — информационная модель зданий и сооружений) технологии, а сама модель сооружения базируется на модели грунтового массива, построение которого производится в программе PLAXIS 3D или его аналогах. В этой связи интегрирование данных томографии МСП в модель грунтового массива представляется перспективным, поскольку, на взгляд авторов, способно повысить качество модели и в целом проектирования оснований и фундаментов особо ответственных сооружений.

1. Алешин А.С., 2010. Сейсмическое микрорайонирование особо ответственных объектов. Светоч Плюс, Москва.

2. Болгаров А.Г., Рослов Ю.В., 2009. Межскважинная сейсмическая томография для решения инженерно-геологических задач. Технологии сейсморазведки, № 1, с. 105–111.

3. Владов М.Л., Стручков В.А., Судакова М.С., Шмурак Д.В., 2020. Томографические просвечивания при больших межскважинных расстояниях: негативные факторы. Инженерные изыскания, Том XIV, № 2, c. 42–51, http://doi.org/10.25296/1997-8650-2020-14-2-42-51.

4. Владов М.Л., Калинин А.В., Шалаева Н.В., 2002. Использование гидроволн при восстановлении скоростного разреза сдвиговых волн по данным скважинной томографии. Разведка и охрана недр, № 1, с. 46–48.

5. Галушкин И.В., Рагозин Н.А., Стенин Д.В., Игнатьев В.И., 2018. Опыт применения сейсмоакустических методов исследования для построения детальной модели среды при проектировании особо ответственных объектов атомного строительства. Инженерные изыскания, Том XII, № 11–12, с. 52–62, https://doi.org/10.25296/1997-8650-2018-12-11-12-52-62.

6. Горяинов Н.Н. (ред.), 1992. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. Недра, Москва.

7. Калинин А.В., Кульницкий Л.М., Владов М.Л., Шалаева Н.В., 2002. Межскважинная томография в акустическом диапазоне частот. Разведка и охрана недр, № 1, с. 41–46.

8. Капустин В.В., Владов М.Л., 2020. Техническая геофизика. Методы и задачи. Геотехника, Том ХII, № 4, с. 72–85, https://doi.org/10.25296/2221-5514-2020-12-4-72-85.

9. Миндель И.Г., Севостьянов В.В., Трифонов Б.А., Рагозин Н.А., 2017. Сейсмическое просвечивание грунтов в основании существующих сооружений. Геоэкология, № 2, с. 65–73.

10. Миндель И.Г., Севостьянов В.В., Трифонов Б.А., Рагозин Н.А., 2016. Особенности изучения деформационно-прочностных свойств дисперсных грунтов сейсмоакустическими методоми. Геоэкология, № 5, с. 461–476.

11. Нолет Г. (ред.), 1990. Сейсмическая томография, пер. с англ. А.Л. Левшина, Б.Г. Вукчина. Мир, Москва.

12. Ошкин А.Н., Ермаков Р.Ю., Рагозин Н.А., Игнатьев В.И., 2016. Межскважинное сейсмическое просвечивание — опыт, методология, аппаратура. Приборы и системы разведочной геофизики, Том 57, № 3, с. 37–47.

13. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин В.Н., Ященко З.Г., 1969. Сейсмические методы изучения массивов скальных пород. Недра, Москва.

14. Тихоцкий С.А., Фокин И.В., Шур Д.Ю., 2011. Активная лучевая сейсмическая томография с использованием адаптивной параметризации среды системой вэйвлет-функций. Физика Земли, № 4, с. 67–86, https://doi.org/10.1134/S0002333711040053.

15. Шишкина М.А., Фокин И.В., Тихоцкий С.А., 2015. К вопросу о разрешающей способности межскважинной лучевой сейсмической томографии. Технологии сейсморазведки, № 1, с. 5–21, https://doi.org/10.18303/1813-4254-2015-1-5-21.

16. Черняков А.В., Богомолова О.В., Капустин В.В., Владов М.Л., Калинин В.В., 2008. Контроль качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации. Технологии сейсморазведки, № 3, с. 97–102.

17. Чугаев А.В., Лисин В.П., Санфиров И.А., Никифоров В.В., Зеленин В.П., 2017. Определение скоростных параметров разреза по сейсмическим скважинным исследованиям. Инженерная геофизика 2017, Материалы 13-й Международной научно-практической конференции и выставки EAGE, Кисловодск, 2017, с. 1–11, https://doi.org/10.3997/2214-4609.201700413.

18. Aleshkin M.V., Ashmarina Yu.B., Sadurtdinov M.R., Konkov A.I., Oshkin A.N., Mershchiy V.V., Ignatev V.I., 2021. Possibility of geotechnical monitoring of geohazards with the use of crosshole seismic tomography (CST). Engineering and mining geophysics 2021, Proceeding of the Conference, Online, 2021, pp. 1–7, https://doi.org/10.3997/2214-4609.202152186.

19. Bougaev E.G., Gousseltsev A.S., Topchiyan M.O., 1996. Seismic soil properties under reactor buildings. Proceeding of the Eleventh World Conference on earthquake engineering, Acapulco, Mexico, 1996, Paper No. 1946.

20. Demiroglu V., Bayer B., Sarac N., Kulakli H., Gormus H., 1999. Akkuyu-1 nuclear power plant site cross-hole survey. Proceeding of the Second Balkan geophysical Congress and Exhibition, Istambul, Turkey, 1999, No. O5-3, p. 27.

21. Durgunogly H.T., Semih S.T., Seicuk E., Yalcin A., 1980. Crosshole survey at nuclear power plant site. Proceeding of the Seventh World Conference on earthquake engineering, Istanbul, Turkey, 1980, Vol. 3, pp. 297–304.

22. Ignatev V., Konkov A., Polikarpov I., Shuvalov A., Oshkin A., 2019. High-resolution crosshole seismic tomography (CST) studies on nuclear power plant foundation site. Proceeding of the 25th European Meeting of environmental and engineering geophysics, The Hague, Netherlands, 2019, pp. 1–5, https://doi.org/10.3997/2214-4609.201902456.

23. Tarasov A., Turchkov A., Oshkin A., Ignatev V., Konkov A., Ragozin N., 2019. Modern techniques in crosshole seismic testing (CST) fulfilment: case study. Proceeding of the Symposium on the application of geophysics to engineering and environmental problems 2019, Portland, OR, USA, 2019, pp. 1–4, https://doi.org/10.4133/sageep.32-021.

24. Wadhwa R.S., Ghosh N., Chaudhari M.S., Subba Rao Ch., Mukhopadhyay R., 2005. Pre and post-excavation cross-hole seismic and geotomographic studies for a Nuclear Power Project. Journal of Indian Geophysical Union, Vol. 9, No. 2, pp. 137–146.

25. Wadhwa R.S., Chaudhari M.S., Saha A., Mukhopadhyay R., Ghosh N., 2009. Deciphering of weak zones using cross-hole seismic tomography. Journal of Indian Geophysical Union, Vol. 13, No. 1, pp. 9–16.