Методологические основы комплексирования междисциплинарных методов для целей мониторинга гидротехнических сооружений

Произошедшие разрушения дамб/плотин на золотоносном прииске в Красноярском крае, а также негативные инциденты и крупные аварии гидротехнических сооружений в других странах (Брумадинью, Бразилия; Айка, Венгрия; Инд, Пакистан, и др.), приведшие к гибели людей и огромным социально-экономическим потерям, ставят во главу угла необходимость постоянного всестороннего контроля и диагностику состояния таких сооружений [1-5]. При этом основная проблема контроля и диагностики заключается в том, что зарождение опасных фильтрационно-деформационных процессов происходит в подповерхностных ослабленных и неоднородных зонах грунтов, первоначально скрытых от визуальных и наземных наблюдений. Проявления таких п о ес- сов могут быть зафиксированы на ранней стадии только с применением исследований разного масштаба и на различных уровнях, позволяющих в том числе контролировать все гидротехническое сооружение в целом, а также сопряженные с ним природнотехнические системы [3, 6-8].

Для этих целей была разработана концепция применения системы мониторинга, комплексирующей, с одной стороны, необходимые современные методы контроля и диагностики гидротехнических сооружений как открытых динамических природнотехнических систем, и ориентированной, с другой стороны, на оперативное выявление на ранних стадиях геоиндикаторов потери прочности и устойчивости, и снижения надежности сооружения в целом [6, 9] (рис. 1).

Рис. 1. Концепция комплексирования междисциплинарных методов и средств мониторинга гидротехнических сооружений

Мониторинг гидротехнических сооружений базируется на комплексировании междисциплинарных режимных исследований на различных уровнях, соотнесенных с земной поверхностью: подповерхностном (гидротехнические измерения, пьезометрические и скважинные регистрации, георадарное подконтурное сканирование, сейсмотомография), наземном (визуальные наблюдения, фотофиксация, геодезические съемки и измерения, лазерное и радарное поверхностное сканирование); воздушном (фото, тепловая и радарная аэрофотосъемки с применением БПЛА); спут- никовом (GPS геодезия, оптические, спектральные и радарные снимки космических аппаратов), компьютерном (3D модели, геомеханическое, гидродинамическое и фильтрационно-деформационное моделирование, консолидация [10-11]).

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] (рис. 2).

Рис. 2. Принцип мультимасштабности при комплексировании междисциплинарных методов и средств мониторинга гидротехнических сооружений

Методологические подходы к комплек-сированию междисциплинарных методов и средств для целей мониторинга апробированы применительно к гидротехническим сооружениям основных горнопромышленных предприятий Кольского полуострова [12-14].

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

На одном из горнодобывающих предприятий Кольского полуострова имеется поверхностный водоем – отстойник промышленных вод, который используется в качестве основного технологического звена в системе оборотного водоснабжения и водопонижения уровня грунтовых вод в карьере. Объем откачиваемой воды из карьера в отстойник (куда, помимо карьерного водоотлива, сбрасываются производственные сточные воды теплоэлектроцентрали и ливневые сточные воды с территории промышленной площадки карьера) достигает до 1,5-2,5 тыс.м3/ч. Ориенти- ровочный объем утечки воды из отстойни- дамб, и развития процесса инфильтрации ка в карьер по разным оценкам составляет свыше 1 тыс.м3/ч, при этом действующая система водопонижающих скважин перехватывает до 0,6 тыс.м3/ч. Инфильтрация промышленных вод из отстойника обратно в карьер обуславливает осложнение тех- нологических процессов как с технической, так и с экономической точек зрения, а также приводит к снижению устойчивости обводненных обнажений породного массива в районе размещенного на Восточном борте рудно-дробильного конвейерного комплекса.

С целью выявления зон повышенной инфильтрации из отстойника промышленных вод в основной карьер проведено комплексное обследование сложноструктурной ограждающей насыпной дамбы и акватории отстойника. Были ком- плексированы, систематизированы и обобщены результаты георадарного зондирования, архивных оптических спутниковых снимков за период 2006-2019 гг., геофизических и инженерногеологических исследований грунтов, компьютерного 3D моделирования, а так- же данные о размещении подземноназемных инженерных сооружений в районе отстойника.

По результатам комплексных исследований раскрыт механизм инфильтрации из отстойника промышленных вод в основной карьер, реализующийся посредством формирования трёх зон с повышенными фильтрационными характеристиками непосредственно в теле ограждающей насыпной дамбы и, кроме того, двух зон наиболее вероятной инфильтрации в северо-западной части акватории отстойника и четырех зон в теле восточной и западной под нарушенным слоем донных илистых и техногенных (насыпных) грунтов на гра- нице их контакта с водно-ледниковыми отложениями в локализованных глубинных интервалах с распространением подземных вод в карьер по естественным сис- темам трещин коренных пород.

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 мониторинга.

Таким образом, по результатам выполненных исследований можно констатировать следующее. Созданы методологиче- ские основы комплексирования междисциплинарных методов для целей мониторинга гидротехнических сооружений, позволяющие реализовать принцип мультимасштабности: от структурных зерен скелета грунтов (миллиметры) до объекта в целом (десятки километров). 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 мероприятия. Мониторинг гидротехнических сооружений на основе комплексирования междисциплинарных методов реализован на основных горнопромышленных предприятиях Кольского полуострова.