Закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов на территории деятельности морского терминала ЗАО "КТК-Р" и их влияние на устойчивость инженерных сооружений (Черноморское побережье, г. Новороссийск)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов на территории деятельности морского терминала ЗАО «КТК-Р» и их влияние на устойчивость инженерных сооружений (Черноморское побережье, г. Новороссийск)

Общая характеристика работы

Актуальность. Согласно СНиП 11-02-96, магистральные газо- и нефте-транспортные системы относятся к классу предприятий, зданий и сооружений повышенного экономического, социального и экологического риска (1-го уровня ответственности). Поэтому обязательным условием при строительстве таких сооружений является производство работ по изучению и прогнозированию геодинамической активности территорий, где они располагаются. Морской терминал ЗАО «Каспийский Трубопроводный Консорциум» (ЗАО «КТК-Р») является сложной природно-технической системой (ПТС), объекты которой, представляя собой потенциальные источники возможного возникновения чрезвычайных ситуаций, находятся в тесном взаимодействии с геологической средой. Поэтому изучение влияния опасных природных и техноприродных факторов на состояние и возможность повреждения объектов морского терминала КТК-Р, обеспечение их промышленной безопасности представляют собой весьма актуальную проблему.

Объект исследований: опасные природные и техноприродные процессы, возникающие в геологической среде территории деятельности ЗАО «КТК-Р».

Предмет исследований: знания о закономерностях их формирования.

Цель и задачи исследований: целью исследований явилось выявление закономерностей формирования опасных природных и техноприродных процессов и прогноз их развития во времени для повышения устойчивости, надежности и эксплуатационной пригодности сооружений морского терминала КТК-Р.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Изучение геологического строения территории деятельности ЗАО «КТК-Р» и установление закономерностей проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов;

2. Пространственно-временной анализ изменчивости геологических и инженерно-геологических условий;

3. Изучение состава, строения и свойств грунтовых толщ для оценки устойчивости сооружений и эффективности систем их инженерной защиты.

Фактический материал и методы исследований. Диссертация основана на анализе, систематизации, научном обобщении фактического материала, собственных исследований, опубликованной литературы и фондовых источников ПГО «Севкавгеология» и других. Фактический материал собирался автором на протяжении пяти лет во время работы в ФГУП «Новороссийская геологоразведочная партия» и ООО «Новоросгеология», обучения в аспирантуре Уральского государственного горного университета на кафедре геологии и защиты в чрезвычайных ситуациях.

Поставленные задачи решались с использованием методов полевых, лабораторных, камеральных геологических и инженерно-геологических исследований, инженерно-геологического опробования, мониторинга природной среды и техногенных условий сооружений морского терминала КТК-Р, обобщения и анализа собранных данных, обработки результатов исследований с помощью ГИС-технологий и математического моделирования.

Основные защищаемые научные положения

1. Формирование современных геологических и инженерно-геологических условий территории деятельности ЗАО «КТК-Р» обусловлено историей геологического развития северо-западной части Северного Кавказа, начиная с мезозоя по современный антропогенный этап, что обусловливает особенности естественной изменчивости и техногенной трансформации геологической среды.

2. Ведущими факторами формирования геологических и инженерно-геологических условий территорий деятельности ЗАО «КТК-Р» являются тектонические, геоморфологические, литологические, гидрологические и гидрогеологические особенности формирования грунтовых толщ, а также современные геологические процессы.

3. Локальный мониторинг опасных природных и техноприродных процессов позволяет проводить систематические наблюдения за условиями и факторами их развития, а также делать прогноз и предлагать рекомендации по инженерной защите территории деятельности ЗАО «КТК-Р».

Научная новизна результатов исследований:

- Установлены основные закономерности формирования опасных природных и техноприродных процессов на территории деятельности ЗАО «КТК-Р» с учетом истории геологического развития, начиная с мезозоя по современный антропогенный этап.

- Проведено комплексное изучение инженерно-геологических условий и прогноз их пространственно-временного изменения.

- Изучены и установлены факторы, обеспечивающие устойчивость инженерных сооружений в условиях их взаимодействия с геологической средой.

- Изучены прочностные и деформационные свойства грунтовых толщ.

Практическая значимость. Результаты исследований реализованы в построении картографических моделей, на которых отражены тектоно-динамические ситуации площадей инженерных сооружений морского терминала КТК-Р, их инженерно-геологические условия, прогноз развития опасных природных и техноприродных процессов. Они позволяют обосновать постоянно действующую систему наблюдений в виде локального мониторинга опасных природных и техноприродных процессов, делать прогноз и рекомендовать защитные меры для обеспечения промышленной безопасности инженерных сооружений морского терминала КТК-Р. Ряд защитных мероприятий по укреплению склонов, оврагов, дамб уже выполнены.

Они могут служить основой для обоснования рекомендаций по обеспечению устойчивости инженерных сооружений морского терминала КТК-Р в режиме нормальной эксплуатации, а также предотвращения нештатных ситуаций и устранения отрицательных воздействий на устойчивость и условия эксплуатации сооружений.

Результаты исследований явились обоснованием для постановки договорных исследований по теме: «Мониторинг инженерно-геологических условий площадей и сооружений морского терминала ЗАО «КТК-Р» в период эксплуатации».

Кроме того, они используются при чтении лекций и проведения лабораторных занятий по курсам «Инженерная геология», «Общая геология» для студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды и геоэкология» и «Промышленное и гражданское строительство» в Новороссийском политехническом институте КубГТУ.

Апробация работы, публикации. Основные положения и выводы проведенных исследований докладывались на научно-практической конференции «Горнопромышленная декада» (Екатеринбург, 2004, 2005, 2006, 2007 гг.). По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 3 статьи в журнале, рекомендованном ВАК. Материалы и разработки автора использованы при написании научно-производственных отчетов и нескольких разделов ОВОС, одним из авторов которых является диссертант.

Структура, содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, иллюстрирована 44 рисунками, 27 таблицами. Библиографический список содержит 96 наименований.

Во введении рассматривается актуальность темы, объект, предмет, цель и задачи исследований, сформулированы защищаемые научные положения, раскрыта научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе излагается состояние проблемы геологической изученности, изученности инженерно-геологических условий территории деятельности ЗАО «КТК-Р».

Во второй главе рассмотрена методика и методическая основа исследований опасных природных и техноприродных процессов.

В третьей главе приводится характеристика геологических и инженерно-геологических условий (основные черты геологического строения территории, гидрогеологические и геоморфологические условия, состав и строение грунтовых толщ).

В четвертой главе рассмотрены опасные геологические и инженерно-геологические процессы.

В пятой главе охарактеризован мониторинг опасных природных и техногенных процессов на территории деятельности ЗАО «КТК-Р», приведены результаты инженерно-геологического, сейсмо-тектонического, инженерно-сейсмометрического мониторинга.

В шестой главе изложены рекомендации по инженерной защите территории во время эксплуатации морского терминала ЗАО «КТК-Р».

В заключении приводятся основные результаты исследований по диссертационной работе.

Содержание работы

геологический инженерный грунтовой сооружение

Первое защищаемое положение. Формирование современных геологических и инженерно-геологических условий территории деятельности ЗАО «КТК-Р» обусловлено историей геологического развития северо-западной части Северного Кавказа, начиная с мезозоя по современный антропогенный этап, что обусловливает особенности естественной изменчивости и техногенной трансформации геологической среды.

Положение базируется на материалах первой и третьей глав.

В геологическом строении территории участвуют осадочные породы терригенно-карбонатного флиша позднего мела и четвертичные отложения. Отложения мелового возраста представлены лихтеровской, васильевской и снегуревской свитами Маастрихтского яруса. Они развиты в субмеридиональном направлении от береговой линии Черного моря на 9,5 км по водораздельным пространством системы водотоков р. Озерейки и далее на севере за пределы района в полосе шириной более 3,0-3,5 км.

Меловые отложения представлены песчаниками, известковистыми и глинистыми мергелями, алевролитами и известняками, характеризующимися крупноритмичным переслаиванием.

Четвертичные образования представлены разнообразными генетическими типами - элювиальными, делювиально-пролювиальными, аллювиальными и техногенными образованиями.

В тектоническом отношении район исследований расположен на западном окончании Новороссийско-Лазаревского синклинория в пределах Абрауского тектонического блока.

Флишевые отложения территории смяты в складки северо-западного «кавказского» простирания. Здесь откартированы Семисамская и Борисовская антиклинали с расположенной между ними Раевской синклиналью.

Изучаемая площадь находится в пределах Раевской синклинали и примыкает на юго-западе к Семисамской антиклинали. Раевская синклиналь характеризуется пологими углами падения крыльев (10-20^°). За счет ундуляции шарнира она образует две центрибрахиформные мульды второго порядка - Гудзевскую (на ней расположен резервуарный парк) и на юго-востоке мульды г. Глебовка. Ось складки прослеживается от истоков р. Озерейка на севере (Гальянское нагорье и площадь техногенных сооружений резервуарного парка), на юго-восток до хребта г. Глебовка - г. Острая.

Складчатые структуры района разбиты многочисленными разрывными тектоническими нарушениями, среди которых выделяются две системы: общекавказская, северо-западного простирания и восток-северо-восточного простирания, «антикавказская». Каждая включает крупные разломы регионального значения и небольшие разломы местного значения (рис.).

Структурно тектоническая схема площади резервуарного парка. Аэрофотоснимок. Масштаб 1:13500

Результаты выполненных работ позволили детализировать тектоно-динамическую характеристику геологического строения площади резервуарного парка и определить конкретные участки, которые в случае сейсмотектонической активности будут наиболее подвержены тенденциям к вероятным локальным гравитационным срывам, сдвиговым деформациям и перераспределению гравитационных напряжений в поверхностных элювиально-делювиальных отложениях.

На территории морского терминала ЗАО «КТК-Р» выделяются четыре типа рельефа:

- низкогорный пологохолмистый денудационно-аккумулятивный рельеф на карбонатных отложениях позднего мела;

- низкогорный эрозионно-денудационный интенсивно расчлененный рельеф на терригенно-карбонатных отложениях;

- абразионно-аккумулятивный рельеф побережья;

- низкогорный техногенный выровненный рельеф насыпных и искусственно преобразованных в естественном залегании отложений.

Первый тип рельефа прослеживается в северной части исследованной территории от начала подводящего нефтепровода до перехода через р. Озерейка.

В полосе прохождения подводящего нефтепровода распространены эрозионно-аккумулятивные процессы постоянных и временных водотоков, процессы плоскостной эрозии и аккумуляции, осыпи. Доминируют процессы линейной эрозии временных и постоянных водотоков.

Второй тип рельефа прослеживается широкой полосой южнее вышеописанного рельефа. В его пределах находятся две трети общей длины подводящего нефтепровода от перехода через р. Озерейку до береговых сооружений морского терминала. Он отличается от предыдущего большей расчлененностью. Абсолютные отметки достигают 472,9 м (г. Глебовка). Относительные превышения иногда составляют 250-300 м. Хребты гребневидного очертания, склоны крутые, расчлененные овражно-балочной сетью.

Абразионно-аккумулятивный рельеф побережья развит в узкой прибрежной полосе изученной территории, ширина ее не превышает 1,5-2,0 км. Современный абразивный уступ (клиф) хорошо развит на побережье. В районе береговых сооружений высота клифа составляет 15-25 м. По крупным и вертикальным стенам клифа часто формируются обвалы. В береговой зоне основную роль играют процессы абразии.

Рельеф техногенных насыпных и преобразованных в естественном залегании отложений прослеживается в северной части изучаемой площади - на участке резервуарного парка и по ее южной части, на участке береговых сооружений.

Первичные холмистые формы рельефа в значительной степени изменены и выровнены. На территориях резервуарного парка и береговых сооружений срезаны вершины холмов на высоту 200-250 м (г. Мал. Гальян) и построены здания административно-хозяйственного назначения, площадки под резервуары нефти, подъездные дороги, противопожарные водоемы и другие технологические сооружения. Размеры площадей техногенноизмененного рельефа: резервуарный парк - 1,7х0,9 км², береговые сооружения - 0,7х0,5 км². Развиты инженерно-геологические процессы: выветривание, плоскостная эрозия, осыпи.

По инженерно-геологическим характеристикам карбонатно-песчано-глинистые отложения исследуемой территории относятся к классу скальных, группе полускальных, связанных, подгруппе осадочных, типу - карбонатных, полиминеральных. С поверхности повсеместно распространены почвы суглинистые с дресвой и щебнем мощностью до 2,0 м.

На основании ранее проведенных работ, материалов полевых и лабораторных исследований выделено 4 инженерно-геологических элемента (ИГЭ), из которых ИГЭ-1 полностью, а ИГЭ-2 частично сняты при проведении строительных работ. Изменчивость физико-механических и прочностных свойств пространственно выдержана и зависит от литологического состава пород и степени выветрелости, обусловленной как литологическим составом, так и от трещиноватостью массива.

Инженерно-геологические элементы по литологическому составу пород и трещиноватости разделены:

ИГЭ-2 - глыбовая кора выветривания;

ИГЭ-3 - переслаивание мергелей известковистых и глинистых, песчаников сильно трещиноватых;

ИГЭ-4 - переслаивание мергелей известковистых и глинистых, песчаников слабо трещиноватых (флиш).

Средние расчетные показатели для выделенных инженерно-геологических элементов практически одинаковые и не имеют контрастной зависимости от расположения в геологическом разрезе (табл. 1). Колебания отдельных значений показателей естественной влажности, водопоглощения и пористости более значимы - от двукратных превышений до средних, что связывается с зонами линейной трещиноватости. Прочностные свойства пород с глубиной практически не изменяются. Статистический анализ физических и механических показателей, полученных при лабораторных испытаниях грунта, подтвердил правомочность объединения вскрытой части геологического разреза карбонатного флиша до 70 м в предложенные инженерно-геологические элементы. Расчеты также показали, что возможно объединение ИГЭ-2 с ИГЭ-3 в один расчетный геологический элемент по всем показателям.

Таблица 1. Нормативные и расчетные значения характеристик грунтов в основании инженерных сооружений

Показатель	ИГЭ-2	ИГЭ-4
	число определений	нормативные значения	расчетные значения (0,85-0,98)	число определений	нормативные значения	расчетные значения (0,85-0,98)
Природная влажность,%	20 15	3 2		68 72	2 2
Плотность при естественной влажности, т/м3	20 15	2,24 2,26	2,22-2,23 2,24-2,24	68 72	2,32 2,34	2,30-2,31 2,32-2,33
Плотность скелета Pd, т/м3	20 15	2,19 2,21	2,16-2,17 2,16-2,19	68 72	2,27 2,30	2,25-2,26 2,28
Коэффициент выветрелости Kwr, д.е.д.	20 15	0,09	34-37 47-50	68 72	0,94
Предел прочности на одноосное сжатие воздушно-сухом состоянии, МПа	15 12	40 54	26-29 36-39	68 72	40 54	37-38 51-53
Предел прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc, МПа	20 15	31 43		68 72	33 45	30-32 42-43
Коэффициент размягчаемости, Ksf, д.е.д.	20 15	58 46		68 72	0,83
Содержание солей CaCO3, %	12 10	58 46		41 44	59 52
Модуль упругости, МПа	12 10	110 150		41 44	150 250
Модуль Протодьяконова	12 10	1,8 2		41 44	2 2

Таким образом, формирование современных геологических и инженерно-геологических условий территории деятельности Морского терминала ЗАО «КТК-Р» происходило в течение длительной истории развития геологических образований, начиная с позднего мела по современный период, когда началась хозяйственная деятельность в связи со строительством инженерных сооружений морского терминала.

Второе защищаемое положение. Ведущими факторами формирования геологических и инженерно-геологических условий территории деятельности ЗАО «КТК-Р» являются тектонические, геоморфологические, литологические, гидрологические особенности формирования грунтовых толщ, а также современные геологические процессы.

Защищаемое положение раскрывается в третьей и четвертой главах диссертации.

Инженерно-геологические условия для строительства определяются комплексом региональных и зональных факторов. Региональные геологические факторы зависят и управляются в основном ходом тектонического развития земной коры и ее современной тектонической жизнью.

На территории деятельности ЗАО «КТК-Р», согласно карте общего сейсмического районирования ОСР-97, возможны 9-балльные землетрясения, хотя в районе расположения инженерных сооружений морского терминала интенсивность землетрясений, по данным исторического и инструментального периодов, не превышала 5 баллов. Кроме того, для строительства дамб и чаш бассейнов-накопителей были выбраны наиболее безопасные с точки зрения сейсмичности участки. В пределах оснований дамб и в границах бассейнов-накопителей разломов с разрывом сплошности пород со смещениями крыльев нет, хотя общей закономерностью проявлений тектонических нарушений площадок дамб являются их сложное неоднородное строение. Так, под дамбой № 1 на поверхности отмечается лишь повышенная трещиноватость, а дробление пород установлено только по буровым работам. На площадке дамбы № 2, наоборот, на поверхности проявляется интенсивное дробление и смятие пород значительной мощности.

Тектоника прямо или косвенно влияет на все процессы, происходящие в геологической среде. Так, балочная система в целом по всей площади изысканий проложена вдоль тектонически ослабленных зон.

В пределах изученных участков дамб подземные воды представлены безнапорным горизонтом трещинно-жильных вод, связанных с зонами приповерхностной экзогенной и тектонической трещиноватости. Глубина зоны свободного водообмена достигают 50 м. По химическому составу воды относятся к гидрокарбонатно-кальциевым с минерализацией 0, 66 г/л.

По величине водопоглощения (при опытных нагнетаниях) во всех скважинах выделены интервалы повышенной трещиноватости грунтов:

14,0-14,3 м; 22,8-23,0 м; 27,5-27,8 м (скв. 507);

3,0-3,3 м; 5,7-6,2 м; 29,3-29,5 м; 34,7-34,9 м; 41,3-42,6 м (скв. 508);

17,9-18,3 м; 25,9-26,1 м (скв. 509).

В условиях разуплотнения горных пород на большую глубину рассматриваемые трещины в приповерхностной зоне приобретают свойство структур отседания, оказывающих негативное влияние на строительство гидротехнических сооружений. В частности, в условиях развития трещин отседания возникает опасность для плотин в местах примыкания их плеч к бортам балок.

Одним из показателей активности тектонических структур является уровень выделения радиоактивных газов - радона и торона (табл. 2).

Таблица 2

Ранг структур	Уровень эманаций, Бк/м3
Активные	> 2000
Умеренной активности	1000-2000
Низкоактивные	< 1000

Режимные наблюдения показывают, что в пределах установленных деформационных зон, которые по содержанию радона относятся к низко- и умеренно активным, происходят изменения содержания радиоактивных и нерадиоактивных газов как во времени, так и от профиля к профилю по простиранию геодинамических зон.

На площади сооружений морского терминала выделено несколько генетических типов экзогенных геологических процессов (табл. 3).

Таблица 3. Генетические типы экзогенных геологических процессов

Генетические типы ЭГП	Геоморфологические условия формирования	Форма проявления ЭГП
1. Выветривание и суффозия	Горный рельеф: - по глубине, мелкорасчлененный (100-200 м); по густоте- умеренно- расчлененный (100-500 м); по углам склонов - умеренно крутой (10-30°); откосы склонов крутые (30-90°).	Трещиноватость, окисление, обломочно-дресвянистое разрушение пород
2. Осыпи и обвалы	Откосы склонов	Гравитационный снос обломочного материала к основанию склонов
3.Эрозия плоскостная, овражная	Склоны и откосы	Плоскостной снос, струйные борозды. Промоины, образование и рост оврагов
4. Движение склонов и оползни	Горный рельеф мелкорасчлененный	Просадки грунта, трещины отрыва, оплывины грунта, гравитационные оползни
5. Абразия моря	Береговой уступ (клиф) высотой 20-80 м, крутой - 80-90°	Размыв и подрезка основания берегового уступа, обрушение, транспортировка волнами материала обрушения, отступание берегового уступа

Наряду с процессами естественного выветривания на территории терминала широко развито «техногенное выветривание», связанное с вскрытием горных пород различными выемками. Интенсивность такого выветривания наибольшая в первый год после искусственного обнажения породы на дневной поверхности, затем она уменьшается. Мощность коры «техногенного выветривания» можно рассчитать по формуле

mt= V₀t,

где mt - мощность коры выветривания, образующейся за период продолжительностью t, м; V₀ - начальная скорость выветривания, м/год; t - продолжительность срока после вскрытия породы, год.

Мощность коры выветривания за 5-летний период срока вскрытия скальных пород на территории сооружений терминала составила до 3,5 м.

В целом срок выветривания определяется соответствующим режимом увлажнения и составом субстрата. Максимальная скорость выветривания глинистых пород наблюдается при особенно частом чередовании увлажнения - высушивания при значительных осадках и высоких температурах воздуха летнего периода.

Физическое и техногенное выветривание часто сопровождается обвально-осыпными явлениями. Формирование осыпей начинается на откосах склонов крутизной более 30^°. Такие участки протяженностью до 200-250 м выделены в северной части резервуарного парка вдоль верхнего склона трассы кольцевой дороги, а также рядом с трассой нефтепроводных коммуникаций вплоть до береговых сооружений.

Обвалы наблюдаются только по береговому клифу морского побережья непосредственно восточнее границы береговых сооружений на протяжении 1 км. Сила удара морской волны во время прибоя достигает 4,5 т/м², а в сильный шторм - 11,8 т/м², поэтому интенсивное обрушение и обвалы блоков горных пород установлены на большей части абразионного уступа.

Широко и разнообразно проявлены на территории терминала эрозионные процессы, интенсивность которых определяется атмосферными осадками, рельефом, растительным покровом, литологией и тектоникой, а также техногенными причинами. Так, прокладка нефтепроводных коммуникаций, образование перемычек насыпного грунта с изменением режима стока поверхностных вод вызвали активизацию структурной эрозии и оврагообразование.

Не менее разнообразны склоновые процессы, представленные оползнями, суффозией и солифлюкцией. При этом в формировании и развитии движений склонов важную роль играет фактор времени. На территории терминала зафиксированы поверхностные оползни в покровных делювиально-элювиальных отложениях мощностью 0,8-1,8 м по поверхности подстилающих пологозалегающих (2-8^°) выветрелых мергелей; оползни в глинистых породах в виде сплывов, развивающихся по береговому клифу. В последнем случае оползневые массы достигают в основании клифа береговой линии, их размыв волнением моря вызывает новое нарушение равновесия склона, однако данный генетический тип оползней не достигает береговых сооружений.

Солифлюкционные наплывы сопровождают условия для возможного формирования поверхностных оползней по склонам к чашам-накопителям дамб 1, 2. Наплывы выделяются изометричной обвальной формой с размерами до 40х25 м в поперечнике и контрастной светло-бурой окраской слагающих их суглинков и глин. С верхней стороны эти оползни плавно смыкаются с поверхностью склона, а в нижней части приподняты над склоном на 0,3-0,4 м. Явление солифлюкции представляет собой начальную фазу возможного формирования оползневого процесса, и по его динамике можно прогнозировать дальнейшее развитие склоновых процессов.

Активизация оползневого процесса происходит в любое время года, если в течение не менее 3 месяцев сумма осадков ежемесячно на 150-200% превышает норму, а среднемноголетнюю норму осадков предыдущего периода превышает не менее чем в 2-6 раз. Если предыдущие месяцы были засушливыми, масштабы активизации будут особенно велики. Другой причиной активизации являются выпадение интенсивных осадков в течение короткого промежутка времени. Установлена активизация оползней в покрывных образованиях, когда суточная норма осадков превышает 120 мм. При этом происходит критическое насыщение оползневых отложений водой до глубины 2-3 м.

Вероятность катастрофической активизации близка к 100%, когда критическое превышение годовой нормы осадков составит приблизительно 400 мм. Количество осадков более 1132 мм/год определено с периодичностью 16-47 лет при среднестатистическом - 33 года. Последний был 1988 год с аномально высоким количеством осадков - 1271 мм. Следовательно, в настоящий период в каждый из последующих лет возможно повторение аномального количества осадков и, соответственно, катастрофическая активизация опасных экзогенных процессов.

Таким образом, наряду с такими постоянно действующими и медленно изменяющимися факторами, как тектоника, литология и геоморфология, существенную и порой определяющую роль в активизации опасных природных процессов играют периодически быстроизменяющиеся погодно-климатические факторы.

Третье защищаемое положение. Локальный мониторинг опасных природных и техноприродных процессов позволяет проводить систематические наблюдения за условиями и факторами их развития, а также делать прогноз и предлагать рекомендации по инженерной защите территории деятельности ЗАО «КТК-Р».

С целью обеспечения промышленной безопасности инженерных сооружений ЗАО «КТК-Р» в чрезвычайных ситуациях, вызванных действием природных и техногенных геодинамических факторов, требуется постоянный контроль за состоянием сооружений и ходом геодинамических процессов, что обеспечивается путем локального мониторинга геологической среды.

Основная задача локального мониторинга - своевременное выявление и прогнозирование развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов, влияющих на безопасное состояние сооружений и геологической среды, в целях разработки и реализации мер по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Мониторинг геологической среды является составной частью мониторинга окружающей природной среды (экологического мониторинга), предусмотренного нормативными правовыми актами Российской Федерации и нормативно-техническими документами федеральных органов по охране окружающей среды и санитарному надзору и реализуется через специализированную систему наблюдений - Единую государственную систему экологического мониторинга, порядок функционирования которой определяется соответствующим положением, утвержденным Правительством России.

Локальный мониторинг проводился в период строительства резервуарного парка нефтепроводной системы ЗАО «КТК-Р», проводится и в период эксплуатации площадей и сооружений Морского терминала.

На стадии строительства осуществлялись следующие виды мониторинга:

* инженерно-геологический;

* гидрогеологический;

* сейсмотектонический;

* инженерно-сейсмометрический.

Инженерно-геологический мониторинг. Для оценки взаимодействия основных сооружений резервуарного парка и геологической среды в рамках задач локального мониторинга в период строительства программой предусматривалось:

* проведение площадного инженерно-геологического обследования для оценки изменений, вызванных строительными работами, и построение инженерно-геологической карты (М 1:2000) на момент начала строительства, а также на момент окончания основного объема земляных работ;

* периодических режимных наблюдений на геохимических площадках для контроля состояния искусственных склонов на участках резервуаров, склонов бассейнов-накопителей, верховых склонов дамб, северного склона на участке вспомогательных сооружений. Периодические наблюдения: в нормальном режиме наблюдения выполнялись 2 раза в год - в периоды наименьших (май-июль) и наибольших (февраль) атмосферных осадков; в случае чрезвычайной ситуации 1 раз в сутки.

Подробный анализ деформации геологической среды был получен путем сопоставления карт инженерно-геологических условий на момент начала строительства и на момент его завершения.

Режимные инженерно-геологические наблюдения на 17-ти геотехнических площадках выполнялись с целью выявления изменений во времени свойств и состояния искусственных склонов на участках резервуаров, склонов бассейнов-накопителей, верховых склонов дамб и северного склона площадки вспомогательных сооружений на участке размещения танков воды для пожаротушения и пожарной насосной станции.

В результате обследования территории резервуарного парка было установлено, что основными инженерно-геологическими процессами, определяющими современное состояние откосов обвалования резервуаров и дамб, а также склонов балок в пределах чаш бассейнов-накопителей, являются процессы площадной и линейной эрозии. Площадная эрозия выражена в процессе пролювиального смыва мелкозернистого материала и его накопления у подножия склонов. Развита повсеместно на обнаженных склонах. Линейная эрозия представлена боковой и донной эрозией в тальвегах балок, оврагообразованием и струйной эрозией на откосах и склонах балок.

Гидрогеологический мониторинг. Проведение гидрогеологического мониторинга обусловлено изменением условия питания и разгрузки водоносных горизонтов на участке строительства резервуарного парка КТК, а также появлением в его пределах источников потенциального загрязнения подземных вод нефтью.

Строительство резервуарного парка на водораздельной территории сопровождается съемом значительных мощностей покрывающих элювиально-делювиальных образований и зачисткой поверхности коренных карбонатно-терригенных пород, что ведет к усилению инфильтрационного питания подземных вод. Использование изолирующей полиэтиленовой пленки в основании четырех резервуаров диаметром порядка 100 м каждый, а также асфальтирование прилегающих территорий изменяют условия влагопереноса в зоне аэрации, уменьшая испарение, что, в свою очередь, вызывает повышение уровня подземных вод под сооружениями. Создание отводящей канавы по периметру участка расположения резервуаров, играющей одновременно роль аварийного отвода нефтепродуктов, а также ливневых стоков, создало условия концентрированного инфильтрационного питания подземных вод на концевых участках канавы в районе верхнего бьефа дамб-ловушек. Такое увеличение инфильтрации привело к дополнительному локальному интенсивному замачиванию делювиальных отложений и создало возможность активизации оползневых процессов.

Создание дамб-ловушек привело к изменению поверхностного стока на прилегающей территории, созданию дополнительных источников инфильтрационного питания подземных вод на присклоновых участках и увеличению обводнения делювиально-элювиальных отложений.

Образование в процессе планировки территории отвалов грунта, складируемого нередко в оврагах, также ведет к локальному увеличению инфильтрационного питания подземных вод, что может способствовать активизации склоновых процессов.

Все это обусловливает необходимость постоянных наблюдений за уровнем подземных вод на участке строительства резервуарного парка в целях своевременного предупреждения развития неблагоприятных процессов (подтопление, нарушение устойчивости склонов и т. п.), а также контроля за возможным загрязнением подземных вод нефтью.

На исследуемой территории в рамках проведенного мониторинга создана сеть наблюдательных скважин, расположенных по периметру резервуарного парка и по нефтепроводному коридору в 1300 м к югу от с. Глебовское. Постоянные замеры статического уровня начаты в ноябре 2003 г. и выполняются ежедекадно. Анализ данных мониторинга показывает, что питание подземных вод территории происходит преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков со снижением уровня воды в скважинах в теплые периоды (апрель-сентябрь) и повышением - в холодные периоды (октябрь-март) года. Кроме того, вскрыты горизонты подземных вод, динамически связанные между собой системами тектонических трещин.

Изучение изменений показателей - индикаторов нефтяного загрязнения (органические вещества, а также хром, никель) свидетельствует о том, что техногенные сооружения «КТК-Р» не оказывают влияния на формирование химического состава подземных вод района.

Сейсмотектонический мониторинг. Активность тектонических нарушений и геодинамических зон является одним из определяющих факторов безопасности инженерных сооружений.

Как отмечалось выше, по содержанию радона и торона геодинамические зоны являются низко- и умеренно активными.

Для режимных гидрогеодинамических наблюдений за относительными перемещениями структурных блоков на площадке резервуарного парка в 2003 г. был заложен створ глубинных реперов и грунтовых марок. Изучение координат и абсолютных отметок последних показывает, что относительные перемещения структурных блоков незначительны или отсутствуют. И хотя район расположения инженерных сооружений находится в окружении сейсмоактивных областей, сейсмический эффект от зарегистрированных в процессе мониторинга событий не представляет опасности для сооружений.

Проведенные автором исследования факторов инженерно-геологических условий, мониторинг опасных природных и техноприродных процессов на территории деятельности ЗАО «КТК-Р» позволил сделать пространственно-временной прогноз развития этих процессов и рекомендовать некоторые мероприятия для защиты объектов Морского терминала.

Прогнозная оценка устойчивости откосов дамб и бортов бассейнов-накопителей резервуарного парка сделана в виде различных сценариев (табл. 4).

Таблица 4. Расчетные величины коэффициентов запаса

№	Расчетная ситуация	Верх дамбы	Низ дамбы	Склон
Дамба №1
1	Быстрый сброс воды из бассейна	1,244 0,991	>1,1 2,550/2,052	1,654 1,169
2	Минимальный уровень воды в бассейне	2,851 1,949	3,091 2,753	1,976 1,391
3	Быстрое наполнение бассейна	7,367 4,816	>1,1 >1,05	2,110 1,491
4	Наполненный бассейн-накопитель длительное время	>1,1 3,503/1,302	>1,1 2,550/2,052	>1,1 1,426
Дамба №2
1	Быстрый сброс воды из бассейна	1,228 0,981	>1,1 2,096	1,081 0,812
2	Минимальный уровень воды в бассейне	>1,1 2,026	>1,1 2,576	1,452 1,360
3	Быстрое наполнение бассейна	>1,1 2,494	>1,1 >1,05	>1,1 2,377
4	Наполненный бассейн-накопитель длительное время	>1,1 1,541/1,111	>1,1 2,096	1,979 1,222
Дамба №3
1	Быстрый сброс воды из бассейна	1,262 0,996	1,281 1,011	1,000 0,815
2	Минимальный уровень воды в бассейне	2,329 1,714	2,752 1,932	1,316 1,061
3	Быстрое наполнение бассейна	>1,1 >1,05	>1,1 >1,05	1,815 1,272
4	Наполненный бассейн-накопитель длительное время	2,464 1,565	1,281 1,011	>1,1 1,073

Величины «>1,1» и «>1,05» обозначают, что для этих ситуаций расчет не выполнялся ввиду очевидности высокой устойчивости откосов и склонов. Например, при быстром наполнении аккумулирующей емкости происходит увеличение устойчивости откосов и склонов, так как вода играет роль своего рода пригрузки. Этот эффект был рассмотрен только для дамбы № 1 и не рассматривался для дамб № 2 и 3, если в 4-м расчетном сценарии обеспечивалась достаточная устойчивость.

Величины коэффициентов запаса 1,1 и 1,05 приняты согласно рекомендациям табл. 4 Справочника проектировщика: гидротехнические сооружения. - М: Стройиздат, 1983, соответственно, для основных и особых сочетаний нагрузок.

Анализ расчетов устойчивости откосов дамб и бортов бассейнов-накопителей для разных сценариев чрезвычайных ситуаций, выполненных методом математического моделирования, показал:

- откосы плотин и борта бассейнов-накопителей имеют высокую надежность в штатных режимах эксплуатации. Требуемая надежность не обеспечивается только для исключительно редких аварийных ситуаций, рассмотрение которых выходит за рамки требований СНиП.

Наименьшая устойчивость откосов и склонов наблюдается в случае быстрого сброса воды из бассейна-накопителя. В этом случае, при значительном сейсмическом воздействии на верхних бьефах дамб и наиболее крутых участках склонов бассейнов-накопителей, могут наблюдаться оползни.

В связи с этим в период эксплуатации и возникновения чрезвычайных ситуаций рекомендуется:

- воздерживаться от длительного хранения воды в бассейнах-накопителях;

- сброс воды из бассейнов-накопителей осуществлять максимально медленно (в идеальном случае скорость понижения уровня воды в верхнем бьефе должно быть меньше скорости фильтрации через тело плотины).

Ниже приведены рекомендуемые защитные мероприятия от опасных экзогенных процессов:

- дополнительное устройство вдоль верхней бровки эрозионных склонов нагорных канав для перехвата поверхностных вод; лотков и быстротоков у подножий склонов;

- восстановление нарушенных участков, дернового покрытия склонов площади сооружений и, в частности, карт резервуаров для хранения нефти;

- регулярная уборка смытого материала от входного оголовка галерей защитных дамб парка и железобетонных труб вдоль дорог;

- профилактическая уборка обломочного материала осыпей вдоль оснований склонов и откосов;

- укрепление склонов с активными осыпями и развивающихся оврагов плотным дерновым покровом с металлической оцинкованной сеткой, габионами, естественными прочными горными породами плитчатой формы, каменной наброской по направлению роста оврагов, а также с применением других специальных геотехнических материалов.

Выбор геотехнических материалов для выполнения эрозионной защиты определен с учетом:

- способности защитить от поверхностного разлива трещиноватых полускальных, легко размягчаемых в воде грунтов;

- удержания армированным поверхностным слоем влаги и семян трав;

- высокой прочности на разрыв и гибкости материалов;

- устойчивости к агрессивным воздействиям окружающей среды геосинтетических противоэрозионных материалов.

Технические параметры соответствуют требованиям экологических, санитарно-гигиенических и других норм, действующих на территории Российской Федерации.

Заключение

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

- изучены особенности геологического строения и установлены пространственно-временные закономерности формирования опасных геологических и инженерно-геологических условий территории деятельности Морского терминала ЗАО «КТК-Р»;

- установлено, что ведущими факторами инженерно-геологических условий являются тектонические, геоморфологические, литологические, гидрологические и инженерно-геологические особенности грунтовых толщ;

- локальный мониторинг инженерно-геологических условий позволяет проводить систематические наблюдения как за условиями и факторами, обусловливающими развитие опасных геологических и инженерно-геологических процессов, так и непосредственно за их развитием, делать прогноз и предлагать рекомендации по инженерной защите инженерных сооружений ЗАО «КТК-Р», обеспечению их устойчивости в режиме нормальной эксплуатации, а также предотвращения нештатных ситуаций и устранения отрицательных воздействий на устойчивость и условия эксплуатации этих сооружений.

Результаты проведенных исследований использованы для обоснования программы долгосрочного локального мониторинга опасных геологических процессов, который позволит определить динамику проявления ЭГП на длительный срок - 10 лет и более.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Остапчук, С. И. Разломная тектоника как фактор природного риска / В. Б. Болтыров, С. И. Остапчук // Известия вузов. Горный журнал. - 2004. - № 5. - С. 66-70.

2. Остапчук, С. И. Прогнозная оценка устойчивости откосов дамб и бортов бассейнов-накопителей Морского терминала ЗАО «КТК-Р» методами математического моделирования / С. И. Остапчук // Известия вузов. Горный журнал. - 2005. - № 4. - С. 81-86.

3. Остапчук, С. И. Сейсмические условия размещения резервуарного парка КТК-Р и задачи локального мониторинга / С. И. Остапчук // Известия Уральского государственного горного университета. - Вып.19. Серия: Геология и геофизика. - 2004. - С. 143-147.

4. Остапчук, С. И. Прогнозная оценка фильтрационных потерь нефти и занефтяных вод из бассейнов-накопителей Морского терминала ЗАО «КТК-Р» при развитии чрезвычайных ситуаций / С. И. Остапчук // Материалы Уральской горнопромышленной декады (11-22 апреля). Екатеринбург. - 2005. - С. 67-71.

5. Остапчук, С. И. Гидрологический мониторинг на территории резервуарного парка ЗАО «КТК-Р» (Черноморское побережье, г. Новороссийск) / С. И. Остапчук // Материалы Уральской горнопромышленной декады (10-21 апреля). Екатеринбург. - 2006. - С. 97-98.

6. Остапчук, С. И. Техногенная активизация геологических процессов на территории ЗАО «КТК-Р» (Черноморское побережье, г. Новороссийск) / С. И. Остапчук // Материалы Всероссийской научно- практической конференции «Экологические проблемы урбанизированных территорий». Екатеринбург. - 2006. - С. 160-162.

7. Остапчук, С. И. Мониторинг экзогенных геологических процессов на территории Морского терминала ЗАО «КТК-Р» / С. И. Остапчук // Материалы Уральской горнопромышленной декады (9-20 апреля). Екатеринбург. - 2007. - С.160-162.

Размещено на Allbest.ru

...