Инженерная геология. Ответы. 1. Содержание науки Инженерная геология, её задачи, значение
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ ПО КУРСУ «ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ» Группы ГП-16-01, ГП-16-09, ГР-16-02. О.А.Шнип 1. Содержание науки «Инженерная геология», её история, задачи, значение. Инженерная геология – наука экологического цикла. Численность населения Земли в настоящее время превышает 7,7 млрд. человек, растёт продолжительность жизни людей, техническая вооруженность человечества. Всё это создаёт активное антропогенное воздействие на среду нашего обитания. В.И Вернадский выделил понятие НООСФЕРА – сфера разума, сфера взаимодействия человека и природы, как новое геологическое явление на нашей планете, сопоставимое с некоторыми экзогенными и эндогенными процессами. Подсчитали, что человек извлекает из недр всякого рода полезные ископаемые (прежде всего стройматериалы) в объёмах, больших чем суммарный объём продуктов извержения всех вулканов. Человек создаёт техногенные меря и озёра (водохранилища), техногенные реки (каналы) и т.д., причём не за миллионы лет, а за годы, месяцы, дни. Постоянно осуществляется строительство на поверхности Земли, в её недрах, на морском дне. Изменяемая при строительстве геологическая среда оказывает значительное влияние на протекание процессов в сложившемся круговороте вещества, энергии, информации. При этом происходит загрязнение окружающей среды. Это может привести к экологическим кризисам разного характера и объема. Пример – добыча сланцевого газа. Таким образом, требуется экологизация многих сфер человеческой деятельности, в частности строительства, добычи полезных ископаемых, как мощных факторов воздействия на окружающую среду. Академик Е.М. Сергеев (институт экологии носит его имя) трактовал инженерную геологию как науку о рациональном использовании и охране окружающей среды от вредных для человека и природы процессов и явлений. Академик Е.А. Козловский в 1989 г. выделил научное направление «геоэкология», понимая под этим термином изучение и оценку изменений геологической среды в результате хозяйственной деятельности. Мониторинг окружающей среды. В последние десятилетия деятельность человека по охране природной среды резко активизировалась. Это связано с - ростом численности населения; - увеличением уровня урбанизации (>60%); - постоянно растущими объёмами строительства и добычи полезных ископаемых, другими факторами. В этой связи появился мониторинг как новая обширная область деятельности. Это система наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей человека природной среды, выработка мероприятий для её сохранности. Дополнительно в практику вошёл термин «литомониторинг», который применим к геологической среде, и прежде всего к земной коре. Основной целью мониторинга является выявление нарушений в природной среде и её сохранение. По масштабу выделяют несколько уровней мониторинга – глобальный, национальный, региональный и местный. В нашей стране осуществляется национальная программа «Литомониторинг России», куда входят вопросы наблюдения, оценки, контроля и прогноза за состоянием земной коры, которая подвергается нарушениям под влиянием техногенной деятельности человека. В этой работе ведущая роль принадлежит инженерной геологии и особенно отчётливо просматривается связь геоэкологии и инженерной геологии. В рамках мониторинга в России организована сеть станций, которые контролируют состояние атмосферы, гидросферы, биосферы и земной коры, особенно почвы. Результаты наблюдений этих станций используются органами власти для принятия мер по устранению выявленных экологических нарушений. 2. Понятие о грунте. 3. Составляющие грунта. 4. Классификация грунта. 5. Физико-механические свойства грунта: прочность, пустотность, гранулометрический состав, удельный и объёмный веса, пластичность, естественная влажность, набухание и усадка, электропроводность, теплоёмкость. 6. Инженерно-геологические процессы, связанные с деятельностью атмосферы. Общие сведения об атмосфере. Выветривание, дефляция, корразия, сгонно-нагонные явления. Условия строительства. 7. Инженерно-геологические процессы, связанные с деятельностью Мирового океана. Общие сведения. Морская абразия. Отступление берегов. Условия строительства. 8. Озера, водохранилища, болота. Общие сведения. Условия строительства на берегах. 9. Инженерно-геологические процессы, связанные с поверхностными потоками. Общие сведения. Речная эрозия. Турбидиты. Меры борьбы при строительстве. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ РЕК. Общие сведения. Источники питания и типы рек. Продольный профиль реки. Продольный профиль равновесия. Коэффициент извилистости реки. В своём существовании река переживает периоды юности, зрелости, старости. Их можно видеть на продольном профиле реки. Разрушительная работа рек – речная эрозия или денудация. Она зависит от объёма и скорости потока, от угла наклона рельефа местности, по которой течёт река. Энергия определяется формулой E= mv 2 /2. В юности наблюдаются большие скорости движения воды и резкое преобладание донной эрозии. Вырабатываются глубокие речные долины с крутыми склонами: теснины, ущелья и каньоны. В более поздние стадии развития речных долин начинается значительное усиление боковой эрозии. Меандры, старицы, террасы. Перенос и отложение обломочного материала и растворённых компонентов. Аллювий и приуроченность к аллювиальным отложениям вторичных скоплений многих полезных ископаемых. Разрушительная работа рек и борьба с ней. Размыв берегов. Закон Бэра. Половодья. Защита берегов искусственными сооружениями – волноломами, набережными, пляжами и т.д. Посадка на берегах кустов, деревьев. Турбидиты – осадки современных и древних мутьевых потоков. Они образуются на шельфе, континентальных склонах, континентальном подножье при впадении рек в морские водоёмы. Скопления УВ в турбидитах. 10. Инженерно-геологические процессы, связанные с деятельностью подземных вод. Происхождение подземных вод. Классификация. Воздействие на грунты. Суффозия, карст, оползни и обвалы. Источники и родники. Условия строительства. 11. Строительство в условиях повышенной сейсмичности. Понятие о землетрясениях, их причины, классификация. Цунами. Сейсмически активные зоны в мире и России. Особенности строительства. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАЙОНАХ С ПОВЫШЕННОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ Общие сведения. Понятие о землетрясениях. Причины землетрясений. Основная – перемещение разной величины блоков литосферы. Дополнительные (около 10%) – вулканические извержения, оползни, обвалы. Быстрые смещения масс горных пород вызывают деформационные волны, называемые сейсмическими. Фокус (гипоцентр) и эпицентр. Классификация землетрясений по глубине фокуса – поверхностные (до 10 км), мелкофокусные (10-60 км), среднефокусные (60-300 км), глубокофокусные (более 300 км). Прогноз землетрясений. Оценка интенсивности землетрясений – шкала MSK – 64, шкала Рихтера. Самые сильные землетрясения в истории. Сейсмически активные зоны. В мире – Тихоокеанское огненное кольцо, Гибралтарско-Индонезийская зона и др. В России – Чукотка, Камчатка, Сахалин, Приморье, Восточная Якутия, район оз. Байкал, Предкавказье. Цунами. Понятие о цунами. Причины образования. Примеры цунами в Тихом океане (Япония, Чили, Россия), цунами 2004 г. В Индийском океане. Строительство в сейсмически опасных районах. Последствия землетрясений на поверхности и близ поверхности. Инженерно-геологические исследования и работы при планировании, строительстве, эксплуатации зданий и сооружений. Строительство – контрфорсы, ядра жёсткости, глубина фундамента, стройматериалы. Землетрясения и нефтегазовая промышленность. 12. Строительство в условиях сезонного промерзания и вечной мерзлоты. Общие сведения. Эпохи оледенения. Вспучивание грунта, наледи, термокарст, солифлюкция. Эпохи оледенения В геологической истории Земли неоднократно происходили достаточно длительные эпохи, когда ледники были распространены достаточно широко. К примеру, в Европе за последние 200 тыс. лет случились 3 такие эпохи оледенения – лихвинская, днепровская и валдайская. В это время среднегодовые температуры сильно снижались, на Скандинавском полуострове накапливался глетчерный лёд (аналог современной Гренландии). Лед тёк во все стороны. На юге он доходил до широты Киева. Затем температура повышалась, лед таял, оставляя скопления морен. Возможные причины оледенений таковы: 1. Двигаясь в космосе, Земля проходила через облака космической пыли, которые экранировали солнечные лучи. 2. Колебания активности Солнца. 3. Изменение состава атмосферы, в частности, содержания в ней СО 2 Строительство в условиях сезонного промерзания и вечной мерзлоты. 2 пути: 1. Сохранять грунт мёрзлым. При этом возводить здания и сооружения на сваях. Ставить солнцезащитные навесы. 2. Выбирать верхнюю часть грунта и заменять его песком, гравием, железобетоном. Предварительно грунт оттаивать естественным или искусственным (электрооттаивание) путём. 13. Инженерно-геологические мероприятия при строительстве нефтегазовых сооружений: скважины, трубопроводы, нефте- и газохранилища. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ СООРУЖЕНИЙ. СКВАЖИНЫ Общие сведения Первое в мире бурение скважины для разведки УВ было выполнено в 1848 г. в посёлке Биби-Эйбат близ Баку. Глубина 21 м. Первая в мире эксплуатационная скважина была пробурена в Пенсильвании в 1859 г. В России первую эксплуатационную скважину пробурили в 1864 г. на Кубани в долине реки Кудако. Бурение этих неглубоких скважин требовало инженерно-геологического обоснования и сопровождения. В Баку в 1930 г. был разработан, а 1934 г. применен метод наклонно-направленного бурения. Сейчас количество скважин на УВ в мире превысило 1100000. В России бурят в год около 8000 скважин. У нас пробурена самая глубокая в мире скважина СГ-3 (Кольская сверхглубокая) и самая длинная наклонно-направленная скважина на Сахалине (15000 м). Планируя бурение, заводят «Дело скважины», в котором отдельной главой с отдельным финансированием присутствует так называемая «инженерка». Инженерно-геологические исследования и мероприятия. В «инженерке» описаны этапы проведения и результаты инженерно- геологических исследований и мероприятий. Они имеют разный объем и разные составляющие в зависимости от масштаба и характера работ. В среднем в «инженерку» входит следующее: 1. Изучение района работ по архивным, фондовым, литературным источникам. 2. Изучение опыта строительства подобных соседних или близко расположенных скважин. 3. Характеристика района бурения – рельефа, климата, поверхностных и подземных вод, характера грунта, сейсмических особенностей, вечной мерзлоты или сезонного промерзания грунта, если таковые там присутствуют и т.д. При этом выполняют инженерно-геологическую съёмку определенного масштаба, строят карты, профили, разрезы. 4. Совместно с геологами и бурильщиками инженер-геолог выбирает площадку для строительства, делает крупномасштабную карту. На карте указываются места расположения бурового станка, сараев, генератора, дома для бригады, кернохранилища и т.д. 5. Для оценки несущей способности грунта копают шурфы, отбирают пробы грунта, отправляют их в лабораторию, изучают результаты анализов. 6. При необходимости изыскивают источники стройматериалов, воды. 7. Все полученные сведения, описания, результаты работ, инженерно- геологические разработки сводят в отчет, который является основным документом «инженерки». 8. Во время строительства и эксплуатации скважин инженер-геолог следит за инженерно-геологической обстановкой и принимает необходимые решения. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ СООРУЖЕНИИ НЕФТЕ- И ГАЗОХРАНИЛИЩ. Сейчас в мире действуют более 600 подземных хранилищ газа (ПХГ) общей активной ёмкостью порядка 340 млрд. м 3 , из них в России расположены 27 ПХГ. Первое из них ёмкостью 62 млн. м 3 было создано в 1916 г. в США. Большинство из них находятся в истощенных газовых и газоконденсатных месторождениях, меньше в водоносных пластах, в горных выработках солей или каменного угля. Москву обслуживает Щёлковское ПХГ объёмом 3,3 млрд. м 3 , созданное в водоносных пластах. Нефтехранилища представляют собой подземные или надземные резервуары, а также платформы для приёма/отгрузки хранящихся продуктов. Большинство ПХН сооружают в отложениях солей, преимущественно галита (NaCl). Первое в мире цилиндрическое нефтехранилище из листов стали было построено Г.Шуховым под Баку в 1878 г. на песчаной подушке. Инженерно-геологические мероприятия при строительстве хранилищ УВ схожи с таковыми при строительстве трубопроводов. Здесь также собирают разного рода информацию об участке работ, строят инженерно-геологические карты участка поверхности над строительством масштаба от 1:5000 до 1:50000. Дополнительно проводят крупномасштабные сейсмические работы, обрабатывают их результаты. Обязательно бурят скважины, причём глубина забоя должна на 5-6 м превышать глубину проектируемого основания хранилища. Образцы керна анализируют для определения состава, прочности, пустотности, проницаемости. Изучают режим и состав поверхностных и подземных вод. По результатам работ составляют колонки, профили, отчёт. Заполняют хранилища нефтью или газом постепенно, отбирая каждый год меньше, чем закачивая. Давление в хранилищах не должно превышать 15 атм. За процессами заполнения и отбора наблюдает инженерный геолог. При эксплуатации один раз в 5 лет проводят геолого-технологическое обследование (аудит) эффективности функционирования и герметичности хранилищ с участием инженерных геологов. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРУБОПРОВОДОВ. Общие сведения. Трубопроводы гораздо дешевле других способов транспортировки УВ и гораздо безопаснее. По данным Американской ассоциации нефтепроводов потери нефти при её транспортировке по трубопроводам составляют 1 галлон (4, 5461 литра) на 1 милю (1609 м) при транспортировке 1 млн. баррелей (159 л) нефти. В настоящее время одним из самых протяженных газопроводов в мире является система Ямбург – Западная граница с диаметром труб 142 см длиной 28,7 тыс. км вместе с ответвлениями. Нефтепровод Восточная Сибирь – Тихий океан мощностью около 80 млн. тонн нефти в год имеет протяженность 4857 км, а с ответвлениями – 5880 км. Проект был запущен в 2012 г., его стоимость составила 624 млрд. руб. Самым северным магистральным трубопроводом считается трансаляскинский нефтепровод протяжённостью 1288 км для перекачки нефти от крупнейшего в США месторождения Прадхо-Бей на севере Аляски до незамерзающего порта Валдиз. Трубопровод проложен в зоне вечной мерзлоты. Для предотвращения проседания он крепится над землей на 78 тыс. металлических опор. Спецификой этих сооружений является большая длина при малой ширине. Они могут пересекать районы с самыми разными геологическими, климатическими, сейсмическими, геоморфологическими условиями. Инженерно-геологические работы. Инженерно-геологические работы в данном случае можно разделить на 3 этапа: - при выборе маршрута прохождения; - при строительстве; - при эксплуатации. Эти этапы должны включать следующее: 1. Сбор и анализ информации по предполагаемому маршруту трубопровода – фондовой, литературной и др. 2. Дешифрирование материалов дистанционного зондирования поверхности Земли, т.е. аэрофотоснимков, космических снимков. 3. Комплексное обследование и маршрутные наблюдения с целью выявления основных инженерно-геологических особенностей строения территории. 4. Совместный с геологами и трубопроводчиками выбор маршрута прохождения нитки или ниток трубопровода. 5. Составление инженерно-геологических карт масштаба от 1:500 до 1:2500 вдоль нитки шириной обычно 400-500 м, а в сложных случаях до 1 км. Особое внимание обращается на зоны оползней и обвалов, суффозий, оврагов, карста, на характер мерзлоты, поведение поверхностных и подземных вод. 6. Бурение мелких (10-50 м) скважин и рытьё шурфов. Отбор образцов грунта и лабораторное определение его физико-механических свойств. Составление профилей, разрезов, колонок скважин и шурфов, таблиц свойств грунта. 7. Составление прогноза изменения инженерно-геологических условий в процессе строительства и эксплуатации трубопроводов. 8. Инженерно-геологические исследования для расположения вдоль трасс трубопроводов объектов обслуживания – насосных стаций, жилых домов и пр. Все полученные данные, материалы, результаты компонуются в виде отчета, в котором также даются обоснованные рекомендации по проведению инженерно- геологических мероприятий во время эксплуатации трубопровода. Строительство трубопроводов в зонах вечной мерзлоты. Такому строительству всегда должно предшествовать особо тщательное инженерно-геологическое исследование. Строительство ведется по двум схемам: 1. Трубы укладывают на сваях, углублённых в грунт. 2. Трубы укладывают на глубину не менее 3-х метров на песчаную или гравийную подушку. Поверх труб помещают слой изоляции из опилок или торфа или же производят засыпку труб песком или гравием на высоту двух диаметров труб. 14. Инженерно-геологические мероприятия при строительстве морских нефтегазопромысловых сооружений. Общие сведения. В настоящее время около 40% УВ в мире добывают на месторождениях под дном морей и океанов. Большая часть морской добычи приурочена к шельфу, меньше – к континентальному склону и к континентальному подножью. Шельф занимает около 5,5 % поверхности планеты, т.е. 28 млн. км 2 . Ширина шельфа меняется от 2-3 км (восточные берега Вьетнама) до 500-600 км в Северном Ледовитом океане. Согласно международному праву шельф принадлежит стране, у берегов которой он расположен. В 2019 г. подкомиссия ООН в рамках рассмотрения российской заявки подтвердила геологическую принадлежность к нашему шельфу акватории Северного Ледовитого океана к северу от наших берегов. Среди прочего такое решение основывалось на следующем: в октябре 2014 г. было завершено бурение скв. 1-Университетская в Карском море, одной из самых северных скважин в мире. Она подтвердила шельфовое строение коры на расстоянии 250 км от материка. |