Комплексирование междисциплинарных методов для целей мониторинга гидротехнических сооружений с учетом экономических ограничений

Произошедшие разрушения дамб/плотин на золотоносном прииске в Красноярском крае, а также негативные инциденты и крупные аварии гидротехнических сооружений (ГТС) в других странах (Брумадинью, Бразилия; Айка, Венгрия; Инд, Пакистан, и др.), приведшие к гибели людей и огромным социальноэкономическим потерям, ставят во главу угла необходимость постоянного всестороннего контроля и диагностику состояния таких сооружений [1-5]. Нарушение фильтрации и функциональности, потеря устойчивости гидротехнических сооружений, приводящие к аварийной ситуации, приносят значительный социальноэкономический ущерб населению, гражданским и промышленным зданиям, дорогам, инженерно-техническим коммуникациям и т. п., что влечет финансовые потери (недополученная прибыль вследствие остановки бизнес-предприятия), дополнительные затраты (ремонтновосстановительные работы на плотинах, дамбах, дорогах, линиях электропередач, устройствах и механизмах и др.; ликвидация последствий аварии; восстановление окружающих природных систем) и штра- фы за загрязнение окружающей среды и экологический ущерб.

Основная проблема контроля и диагностики состояния ГТС заключается в том, что зарождение опасных фильтрационнодеформационных процессов происходит в подповерхностных ослабленных и неоднородных зонах грунтов, первоначально скрытых от визуальных и наземных наблюдений. Проявления таких процессов могут быть зафиксированы на ранней стадии только с применением исследований разного масштаба и на различных уровнях, позволяющих в том числе контролировать все ГТС в целом, а также сопряженные с ним природно-технические системы [3, 68].

Для этих целей была разработана концепция применения системы мониторинга, комплексирующая, с одной стороны, необходимые современные методы контроля и диагностики ГТС как открытых динамических природно-технических систем, и ориентированная, с другой стороны, на учет экономических ограничений для снижения общей структуры затрат [6, 9].

Мониторинг ГТС базируется на ком-плексировании междисциплинарных ре- жимных исследований на различных уровнях, соотнесенных с земной поверхностью (рис. 1): подповерхностном (гидротехнические измерения, пьезометрические и скважинные регистрации, георадарное подконтурное сканирование, сейсмотомография), наземном (визуальные наблюдения, фотофиксация, геодезические съемки и измерени ностное сканирование); воздушном (фото, тепловая и радарная аэрофотосъемки с применением БПЛА); спутниковом (GPS геодезия, оптические, спектральные и радарные снимки космических аппаратов), компьютерном (3D модели, геомеханиче-ское, гидродинамическое и фильтрационно-деформационное моделирование, консолидация [10-11]).

Рис. 1. Концепция комплексирования междисциплинарных методов мониторинга гидротехнических сооружений с учетом экономических ограничений

Комплексирование таких методов обеспечивает эффект мультимасштабности: от микрочастиц, зерен, скелета грунта (миллиметровый уровень) до отдельных сооружений и гидротехнической системы в целом и (метры и километры) [11-12].

Методологические подходы к комплек-сированию междисциплинарных методов и средств для целей мониторинга апробированы применительно к ГТС основных горнопромышленных предприятий Кольского полуострова, с учетом структуры затрат ведения работ и их экономического значения [5, 12-14]. Затраты на проведение полевых работ составляют две трети общей стоимости, при этом стоимость инженерно-геологических работ практически в полтора раза ниже, чем инженерногеодезических. Затраты на камеральную обработку составляют примерно треть общего объема стоимости работ. По нашему мнению, оптимизация и снижение общего объема финансового обеспечения работ по комплексным исследованиям состояния ГТС, наряду с повышением информативности и эффективности получаемых результатов, могут быть достигнуты за счет интегрирования в стандартные системы наблюдений современных инновационных методов и технологий: георадарного подповерхностного и поверхностного зондирования, спутниковой георадарной съемки и GPS-измерений, а также применения автоматизированных методов и технологий при камеральной обработке результатов полевых измерений.

В частности, на основе комплексирова-ния данных георадарных, гидрогеологических, геофизических и инженерногеологических исследований и спутниковых снимков раскрыт механизм инфильтрации из поверхностного отстойника про- мышленных вод в карьер, реализующийся в формировании в теле ограждающей насыпной дамбы трёх линзообразных зон с повышенными фильтрационными характеристиками.

Установление механизма и локализация зон повышенной инфильтрации позволили обосновать инженерно-технические про-тивофильтрационные решения, которые были включены в основу проекта по обеспечению безопасности ведения открытых горных работ и модернизации сети промышленного гидрогеологического мони- торинга, и существенно снизить затраты на их реализацию.

Таким образом, по результатам выполненных исследований можно констатировать следующее. Созданы методологические основы комплексирования междисциплинарных методов для целей мониторинга гидротехнических сооружений, по- зволяющие реализовать принцип мультимасштабности: от структурных зерен скелета грунтов (миллиметры) до объекта в целом (десятки километров), с учетом экономических ограничений. В частности, комплексированием данных спутниковых снимков, георадарных, гидрогеологических, геофизических и инженерногеологических исследований раскрыт механизм инфильтрации поверхностных вод из отстойника в карьер Ковдорского ГОКа, что позволило обосновать инженернотехнические противофильтрационные ме- роприятия с существенным снижением затрат на их реализацию. Мониторинг ГТС на основе комплексирования междисциплинарных методов с учетом экономических ограничений реализован на основных горнопромышленных предприятиях Кольского полуострова.