Способ стабилизации грунтового массива в сейсмически опасных районах

 

Изобретение относится к области защиты грунтового массива земной коры в сейсмически опасных районах, а именно к способам воздействия на напряженное состояние участков земной коры, предотвращающим землетрясения или уменьшающим силу их катастрофического воздействия. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в снятии сильных упругих деформаций и внутренних напряжений в крупном массиве земной коры для защиты от землетрясений и уменьшении их разрушительной силы. Способ осуществляют путем стабилизации грунтового массива за счет закачки в него через скважины и колодцы жидкости определенного химического состава, изменяющей состав подаваемых грунтовых вод, что способствует снятию упругих напряжений в этих участках земной коры.

Изобретение относится к области защиты грунтового массива земной коры в сейсмически опасных районах, а именно к способам воздействия на напряженное состояние участков земной коры, предотвращающим землетрясения или уменьшающим силу их катастрофического воздействия.

Известен способ защиты подземных коммуникаций путем ослабления контакта между грунтом и поверхностью трубопровода в период опасных сдвижений грунтов, при котором ослабление контакта производят путем подачи воды в грунт к поверхности трубопровода до полного водонасыщения грунта /1/.

Известен также способ стабилизации грунта основания сооружения, принятый за прототип, заключающийся во введении локально в нескольких точках контролируемых доз жидкости внутрь фундамента на заданное расстояние от его подошвы и боковых стенок, чтобы обеспечить стабилизацию грунта, на который опирается фундамент /2/.

Оба указанных способа основаны на уменьшении внутреннего напряжения грунта, в результате чего он оказывает меньшее воздействие на подземные и поверхностные объекты в период опасных сдвижений грунтов. При этом сам по себе процесс сдвижения грунтов, в частности в результате землетрясений, не ликвидируется.

Задачей изобретения является создание способа снятия сильных упругих деформаций и внутренних напряжений в крупном грунтовом массиве земной коры для защиты от землетрясений, уменьшения их разрушительной силы.

Поставленная задача решается путем стабилизации грунтового массива за счет закачки в него через скважины и колодцы водного раствора определенного химического состава, изменяющего состав подземных грунтовых вод и этим способствующего снятию упругих напряжений в этих участках земной коры.

Под грунтовым массивом здесь понимается участок земной коры, включающий верхний слой осадочных рыхлых грунтовых пород и залегающие под ним горные кристаллические породы, куда способны проникать подземные грунтовые воды, изменение уровня которых регистрируется по скважинам и природным источникам при подготовке землетрясений и служит одним из наиболее надежных предвестников землетрясений.

При наличии среднесрочного или долгосрочного прогноза о готовящемся землетрясении на данной территории бурят с учетом гидрогеологических данных ряд профилей скважин и колодцев поперек зоны тектонического разлома, охватывая ими все направления и глубины течения подземных вод. Одновременно с этим отбирают пробы грунтов и горных пород и экспериментально определяют тип жидкости, обусловливающий максимальное снижение упругих стрессовых напряжений в грунтовом массиве за счет увеличения податливости грунтов к деформациям и/или выравнивании плотности в разных его участках. Затем изменяют состав подземных вод, для чего в грунтовый массив закачивают соответствующий тип и объем жидкости. Достаточность ввода жидкости контролируют по появлению вводимой жидкости в контрольных скважинах. Одновременно фиксируют количество и силу форшоков, при уменьшении которых закачку раствора в грунт прекращают.

Способ основан на использовании действия в земной коре двух процессов - эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел (эффекте Ребиндера) и механизме диффузионного флюидозамещения.

Эффект Ребиндера /3/ проявляется при добавлении в раствор воды поверхностно-активных веществ, которые содействуют уменьшению прочности связи между отдельными зернами и стенками микротрещин в грунтах и горных породах, в результате чего те и другие легче разрушаются и становятся более пластичными, не допуская возникновения сильных упругих стрессовых деформаций, ведущих к землетрясениям.

Механизм диффузионного флюидозамещения /4, 5/ проявляется при диагенетических и гидротермально-метасоматических процессах в присутствии в определенной мере химически агрессивных растворов, способных растворять в одном месте компоненты грунтового массива и переотлагать их в другом. Суть этого процесса заключается в том, что в процессе тектонических деформаций появляются различия в плотности пород, так что в одних их участках возникают открытые трещины, а в других породы оказываются сильно сжатыми. В этот период в данной среде, насыщенной минерализованными водами, начинается развитие гидротермально-метасоматических процессов, при которых из плотно сжатых участков выносятся растворенные химические компоненты в зоны тектонических трещин, пустот и более разуплотненных пород. Это перераспределение сопровождается образованием коллоидных высококонцентрированных растворов, заполняющих трещинные пустоты и кристаллизующихся в конце концов в виде жильных образований кальцитового, алюмосиликатного кварцевого, флюоритового, железоокисного, серносульфидного и других составов. Благодаря этим процессам происходит выравнивание плотности горных пород и ликвидация таким образом самой причины возникновения упругих деформаций.

При этом подобные явления происходят не только после крупного тектонического разрыва пород, т.е. после землетрясения, но и до него, когда в породах только начинают появляться микротрещины и микросдвиги, предшествующие главной тектонической подвижке. Это известно, например, в зарождающихся очагах землетрясений, где их предшественниками служат так называемые форшоки - небольшие сейсмические удары, являющиеся следствием начальных стадий разрывов в породах.

Поэтому включение в действие эффекта Ребиндера или механизма диффузионного флюидозамещения до начала главной подвижки способно уменьшить вероятность и интенсивность ее разрывной стадии и смягчить ее сейсмическое воздействие, т.е. уменьшить вероятность катастрофического землетрясения.

При этом следует отметить, что очаги землетрясения могут возникать и на больших глубинах, не доступных для проникновения подземных вод. Однако сам очаг создается как результат общих геодинамических напряжений в большом участке земной коры, в том числе и в близповерхностном грунтовом массиве, где осуществляется движение подземных грунтовых вод. Поэтому бывает достаточным снять тектоническое напряжение в этом близповерхностном массиве, чтобы уменьшить силу тектонического удара в очаге землетрясения, или отдалить сам этот очаг от густонаселенных пунктов, или ликвидировать его совсем.

Способ реализуется в следующей последовательности операций. В сейсмически активной зоне в период наличия среднесрочного или долгосрочного прогноза о землетрясении поперек зоны предполагаемого разлома пробуривают ряд профилей скважин, так чтобы с учетом имеющихся гидрогеологических данных охватить все подземные водные потоки и на соответствующую глубину. Схему размещения, количество и глубину буровых скважин на земной поверхности определяют в зависимости от ориентировки активной тектонической зоны, степени проницаемости пород грунтового массива для раствора и их водонасыщенности, направленности движения подземных вод. Используют также уже имеющуюся сеть скважин и колодцев, служившую для гидрогеологических и других целей. Бурят также несколько контрольных скважин, которые будут служить для контроля успешности заполнения подземных вод химическими растворами. Преимущественно скважины располагают поперек сейсмически опасного разлома.

Одновременно по этим скважинам отбирают пробы грунтов и горных пород и экспериментально определяют тип жидкости, который может обеспечить снижение стрессовых упругих деформаций в грунтовом массиве. Экспериментально исследуют влияние двух классов жидкостей - поверхностно-активные вещества и химически агрессивные растворы, способные растворять и переотлагать компоненты вмещающих пород.

Первые из них, в соответствии с эффектом Ребиндера, снижают механическую прочность грунтов и этим увеличивают склонность пород к пластическим деформациям и не позволяют созданию сильных упругих стрессов, ведущих к землетрясениям. Количество этих веществ, выпускаемых современной промышленностью, очень велико. Выбор зависит от способности тех или иных веществ проникать в породы грунтового массива, которыми сложен сейсмически опасный район, а также от безвредности их использования для населения, потребляющего подземные воды, и от дороговизны. Эксперименты для этого класса жидкостей проводят таким способом: под прессом в водной среде раздавливают кубики грунтов и горных пород добавляя в воду те или иные поверхностно-активные вещества. Чем легче происходит раздавливание породы, тем более действенным является то или иное вещество для определенных разновидностей пород.

Второй класс жидкостей подбирают исходя, например, из экспериментальных исследований /6/ по гидротермально-метасоматическим процессам в земной коре. В качестве аппаратуры для этой цели используют автоклав, в который заливают соответствующую жидкость и внутрь нее помещают пробирку с прессованной мелкоизмельченной породой. Изменяя состав жидкости при соответствующей температуре и давлениях земных глубин, определяют степень ее химического взаимодействия с породой с развитием диффузионных метасоматических процессов. Чем более существенна степень химического взаимодействия, тем более эффектной является жидкость для использования в целях выравнивания плотности в горных породах. Возможно использование в соответствии с экспериментами /6/ кислых и близнейтральных хлоридных, фторидных, борных, углекислых растворов солей породообразующих компонентов (Na, K, Ca, Mg, Fe, Al) и соответствующих кислот (HCl, HF, H₂BO₃, H₂SO₄, H₂CO₃) а также щелочных растворов гидроокисей, карбонатов и силикатов натрия и калия. Во многих случаях основу раствора могут составлять NaCl или KCl, как преобладающие компоненты природных флюидов с некоторым подкислением HC или подщелачиванием аОН до получения необходимого для реакций значения pH. Концентрация растворов может составлять от 10^-3 до 1,0 m. Необходимо оценить возможность использования подобных веществ при реальных температурах в исследуемом грунтовом массиве и, в случае необходимости, подобрать другие вещества для включения в действие механизма диффузионного флюидозамещения, связанного с гидротермально-метасоматическими и диагенетическими процессами.

Одним из таких веществ является кислород, который, как известно, применяется для очистки грунтовых подземных вод от примесей с осаждением по трещинам и в микропорах окислов железа и марганца. Возможно, что в некоторых случаях эффективными для использования окажутся реактивы, широко применяемые для подземного выщелачивания рудных компонентов при гидроскважинном способе добычи полезных ископаемых /7/.

После проведения экспериментов среди этих двух классов веществ выбирают типы жидкостей, наиболее эффективно воздействующие на снятие напряжений в грунтах, легко растворимые и хорошо проникающие в грунты, относительно дешевые и безвредные для населения, потребляющего грунтовые воды.

Затем через подготовленные скважины выбранные растворы вводят в грунтовый массив, изменяя таким образом состав грунтовых вод. Эффективность проникновения вводимого раствора оценивают по проникновению его в контрольные скважины, через которые закачку не производят. Одновременно фиксируют количество и силу форшоков, являющихся предвестниками землетрясения. Уменьшение их количества и силы является показателем эффективности проведенных мероприятий, после чего закачку раствора в массив прекращают.

Предлагаемое изобретение в отличие от известных обеспечивает радикальное снижение упругих стрессовых напряжений в грунтовом массиве, что ведет к снижению разрушительной силы землетрясения или даже к полной ликвидации его очага. Его использование вооружает человечество новыми возможностями по регулированию стихии подземных недр.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 386069, E 02 D 31/08, 14.06.73.

2. Патент Франции N 2692931, E 02 D 3/10.

3. Ребиндер П. А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. -М.: Наука, 1979.

4. Шабалин Л. И. Новый принцип объяснения зарождения жильных месторождений и кислых магматических пород на основе механизма диффузионного флюидозамещения. Известия вузов. Серия: геология и разведка. -1995, N 4, с. 118-126.

5. Шабалин Л.И. Геологический пример механизма диффузионного флюидозамещения при зарождении магматическиподобных жильных месторождений. Известия вузов. Серия: геология и разведка, 1997, N 1, с. 79-39.

6. Зарайский Г. П. Зональность и условия образования метасоматических пород. - М.: Наука, 1989.

7. Горная энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1991, т. 1, с. 465.

Формула изобретения

Способ стабилизации грунтового массива в сейсмически опасных районах путем закачки жидкости в грунтовый массив, отличающийся тем, что при наличии среднесрочного или долгострочного прогноза о готовящемся землетрясении на данной территории поперек зоны тектонического разлома бурят сеть скважин с учетом гидрогеологических данных, охватывая все направления и глубины течения подземных грунтовых вод, одновременно с этим по скважинам отбирают пробы грунтов и экспериментально определяют тип жидкости, обусловливающий максимальное снижение упругих напряжений в грунтовом массиве за счет увеличения податливости грунтов к деформациям и/или выравнивания плотности в разных его участках, затем изменяют состав подземных вод, для чего в грунтовый массив закачивают через скважины соответствующие тип и объем жидкости, достаточность ввода жидкости контролируют по появлению вводимой жидкости в контрольных скважинах, одновременно фиксируют количество и силу форшоков, при уменьшении которых закачку жидкости в грунтовый массив прекращают.