Главная Коллекция "Otherreferats" Геология, гидрология и геодезия Особенности инженерно-геокриологических изысканий в высокогорье (на примере газопровода "Алтай")

Особенности инженерно-геокриологических изысканий в высокогорье (на примере газопровода "Алтай")

Геокриологические условия Алтая, криогенные процессы и образования. Принципы инженерно-геологического картографирования для целей инженерных изысканий в горах. Методика составления карты распространения, мощности и температуры многолетнемерзлых пород.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 23.03.2014
Размер файла 3,7 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Стоит перечислить особенности развития наледей в тот период (Достовалова, Шитов, 2011. С.42):

· появление зимнего стока по руслам временных сезонных водотоков;

· аномальное развитие речных и геогенных наледей в эпицентральной зоне землетрясения (рис.3.2);

· повышение доли грунтового питания речных наледей;

· аномальное развитие наледных бугров;

· появление восходящих высокодебитных родников на участках развития сейсмодислокаций и развитие связанных с ними наледей;

· образование наледей на участках развития солончаков;

· образование наледей, питавшихся подземными водами из глубоких горизонтов с повышенной минерализацией и разнообразным гидрохимическим составом.

Таким образом, при проведении наблюдений за наледным режимом горных стран необходимо учитывать взаимосвязь географических факторов формирования наледей (метеорологических характеристик, абсолютной высоты над уровнем моря, геоморфологического строения) с сейсмической активностью территории.

Изучение склоновых процессов в высокогорье при проведении изысканий

Криогенными склоновыми процессами, как известно, являются криогенный крип (десерпция), солифлюкция, движение курумов и каменных глетчеров. Кроме непосредственной угрозы зданиям и сооружениям, склоновые процессы в горах (не только криогенные) оказывают значительное влияние на распространение мерзлых толщ. Речь в данном случае идет о солифлюкционных, коллювиальных, курумовых и глетчерных отложениях, образующих специфические черты рельефа на склонах и в присклоновых частях долин. В некоторых случаях новообразования многолетней мерзлоты формируются при близких к нулю и даже положительных среднегодовых температурах воздуха (Горбунов, Северский, 1990). Происходит это внутри крупнообломочных осыпных и обвальных отложений без мелкоземистого заполнителя в результате особого термического и влажностного режима, устанавливающегося за счет конвективного теплообмена. Необходимо учитывать это при рекогносцировочных исследованиях, в особенности при дешифрировании аэро - и космоснимков, аэровизуальных наблюдениях.

Методы полевого изучения солифлюкции. Полевое изучение солифлюкции начинается с выбора участков для проведения стационарных исследований (Ершов, 2004). Выбор участков производится посредством анализа карты ландшафтно-геокриологического районирования масштаба 1: 10 000-1: 25 000. Основными признаками типизации солифлюкционноопасных участков являются: крутизна и экспозиция склонов, характер напочвенного растительного покрова, состав и влажность рыхлых поверхностных отложений (преимущественно слоя СТС), глубина сезонного протаивания; фиксируются солифлюкционные формы рельефа, проводится количественная оценка степени их распространения. По результатам районирования осуществляется предварительный выбор участков режимных наблюдений. Участки должны приходиться на территории: а) с максимальным проявлением солифлюкционных форм и б) потенциально опасные. На карте особенно выделяются участки, где породы СТС имеют влажность выше предела текучести. Уничтожение на них растительного покрова ведет к качественному преобразованию процесса - из вязкопластичной медленной солифлюкции в жидкотекучую быструю, часто имеющую катастрофические характеры. Предварительно выбранные участки утверждаются после проведения рекогносцировки и проходки горных выработок (шурфы, скважины). Если же солифлюкция обусловлена хозяйственной деятельностью, основная цель изысканий (уже на стадии эксплуатации объекта) - разработка противодеформационных мероприятий. Первоочередное внимание должно уделяться участкам с обусловленными солифлюкцией деформациями сооружений, а также районы её возможного развития.

Оборудование пунктов для проведения режимных наблюдений должно начинаться с проведения инженерно-геокриологической съемки масштаба 1: 1000-1: 5000 (высота сечения рельефа на топографической основе - 0,5-1 м). Пункты режимных наблюдений должны включать площади проявления солифлюкционных процессов (террасы, "струйчатый" микрорельеф, борозды и просадки, "пьяный лес"), а также соседние незатронутые солифлюкцией участки склонов. Рекомендуемые размеры площадки: от 50 до 300-500 м вдоль подножия склона и 50-150 м поперек него. Чем сложнее рельеф и строение грунтов - тем больше площадки.

Режимные наблюдения включают в себя:

· микроклиматические наблюдения - необходимы для прогнозных расчетов промерзания-протаивания пород;

· изучение снежного покрова;

· мониторинг температурного режима пород - целесообразно проводить по снегомерным поперечникам;

· определения влажности и плотности пород - с начала цикла сезонного оттаивания - ежедекадно в течение одного года;

· наблюдения за состоянием почвенно-растительного покрова методом повторной площадной мензульной съемки того же масштаба, что и геокриологический план; периодичность - раз в 2-3 года;

· самое главное - наблюдения за величиной солифлюкционного смещения отложений. Последние проводятся геодезическими методами либо с помощью кинеметров и кинеграфов. Геодезические методы:

– створов;

– лучей;

– линейных засечек;

– прямой засечки;

– полигонометрический метод.

Рис.3.3 Схематический рисунок регистрирующей части кинеметра (Мудров, 2007)

Вышеперечисленные методы изначально разработаны для изучения оползней. Реперы устанавливаются в основании склона, где отсутствует солифлюкционное течение. Регламент предусматривает проведение измерений в начале зимнего промерзания (когда медленная солифлюкция максимальна), весной, перед началом цикла сезонного оттаивания и в течение периода сезонного оттаивания с периодичностью раз в месяц (при аномальной активизации течения - чаще).

Более точные данные смещения получаются с помощью кинеметров и кинеграфов. Смещение фиксируется индикатором часового типа, который устанавливается на репере, заглубленном в ММП на склоне. Для измерения смещения пород применяется барабан с часовым механизмом. Величина смещения по глубинам определяется посредством системы цилиндров (рис. 3.3) или гибких лент, устанавливаемой в специально пробуренную скважину. Её бурят в начале весны; прибор вынимают обратно перед началом зимнего промерзания.

Методы полевого изучения курумообразования. Главными направлениями полевого изучения курумов является проведение режимных наблюдений за смещением обломочного материала, изучение состава и строения обломочного чехла, изучение факторов, влияющих на курумообразование и влияние самого курума на геокриологические условия склонов. Полевые наблюдения курумов предваряются изучением площадного распространения курумов в регионе. Оно выполняется но основе совместного анализа геологической карты коренной основы масштаба 1: 200 000-1: 500 000, геоморфологической карты такого же масштаба, а также аэро - и космоснимков масштаба 1: 40 000-1: 200 000 (Ершов, 2004). Данные требования кардинально отличают процесс изучения курумов от исследований других криогенных процессов - требуется расширенный набор исходных карт и данных ДЗЗ. По результатам анализа составляется карта районирования территории по особенностям распространения курумов, которая на геологической основе характеризует пораженность территории курумами, преобладающие их типы (поля или потоки), а также площадные и линейные размеры. Площадки для проведения режимных наблюдений размещаются в районах с различной степенью пораженности территории курумами, а также в местах размещения инженерных сооружений. Выбранные участки должные включать в себя различные элементы рельефа курумов (ложбины, уступы, террасы, воронки и др.) и соседние участки склонов, не затронутые курумообразованием. Предпочтительные размеры участков: 200х200 для курумов-полей и 50-100х200 м - для курумов-потоков. Оборудованию пунктов, так же как и в случае с исследованием других криогенных процессов (термокарст, термоэрозия, термоабразия, морозобойное растрескивание, солифлюкция - диапазон масштабов съемки примерно одинаков), предшествует создание детального инженерно-геокриологического плана масштаба 1: 1000-1: 2000. Особое внимание уделяется породам коренной основы, составу и строению рыхлого чехла, наличию гольцового льда, выплескам мелкоземистого материала, глубинам сезонного промерзания и протаивания, характеристике надмерзлотных вод.

Программа режимных наблюдений включает в себя:

· микроклиматические наблюдения (2 участка - на поверхности курума и на сопредельном незанятом курумообразованием склоне);

· изучение строения курумового чехла - из-за грубообломочного состава отложений вместо горных выработок в основном используются геофизические методы;

· наблюдения за скоростью смещения обломочного материала (используются методы: створов, реперов, трашей-ловушек, фотограмметрического, геометрического нивелирования, GPS-контроля).

На методике последних двух разделов исследований стоит заострить внимание. Из геофизических методов исследования на курумах могут быть использованы:

– метод электрического профилирования на постоянном токе - преимущественно на сопредельных с курумом участках склона и на курумах с большим содержанием заполнителя в разрезе;

– методы сверхдлинноволнового радиокипа и э/м профилирования - на любых курумах в летнее и зимнее время года (не требуют осуществления гальванических контактов с горными породами);

– электрозондирование на постоянном токе (ВЭЗ) - для изучения вертикального строения курумов с большим количеством дисперсного заполнителя, сопредельных участков склонов, мощности СМС и СТС;

– частотное электромагнитное зондирование - на курумах для изучения геологического разреза и глубин сезонного промерзания и оттаивания;

– георадиолокационное зондирование - на курумах для фиксации мощности базального льдогрунтового слоя, обводненных горизонтов СТС.

Наблюдения за смещением материала курумов и их сравнительный анализ (табл. 3.1):

– метод реперов (смещение реперов на куруме относительно неподвижного репера);

– метод створов (провешивание линий поперек курумового поля между двумя реперами, нормальная проекция линии маркируется краской);

– метод траншей-ловушек (дает возможность определять количество обломочного материала в створе курума);

– фотограмметрический метод - повторная фототеодолитная съемка;

– геометрическое нивелирование - нивелирование помеченных краской глыб относительно специального репера у подножия;

– GPS-контроль.

Таблица 0.1 Сравнение недостатков различных методов регистрации движения курумов

Метод

Недостаток

Метод реперов, метод створов

Большая трудоемкость заложения реперов на склоне

Траншеи-ловушки

Непригоден для наблюдений на крупноглыбовых курумах

Фотограмметрия

Низкая точность

Геометрическое нивелирование

В меньшей степени подхожит для изучения динамики повышенно активных курумов

GPS-контроль

Низкая точность, как следствие - в основном применим для изучения динамики наиболее подвижных курумов

Методы полевых наблюдений за каменными глетчерами. На данный момент методика изучения каменных глетчеров не описана ни в одном из основных действующих нормативов по инженерным изысканиям. В СНиП 11-02-96 "Инженерные изыскания для строительства" данный криогенный процесс не упомянут ни в пункте 6.9 (положения по геокриологическим изысканиям), ни в пункте 6.17 (положения по изучению склоновых процессов). Даже в Части IV СП 11-105-97 "Инженерно-геологические изыскания…" каменные глетчеры не упомянуты: ни в п.5.10 (Стационарные наблюдения), ни в Приложении Н (Перечень методических документов по производству полевых и лабораторных геокриологических работ при изысканиях). А между тем, как уже было сказано выше, каменные глетчеры могут представлять непосредственную опасность для инженерных объектов. Таким образом, единственное, на что можно опираться изыскателям при изучении каменных глетчеров - разрозненные научные труды в виде монографий, статей в периодических изданиях и т.д.

При изучении каменного глетчера первоочередную важность имеют следующие задачи:

· картографирование каменного глетчера;

· длительные тщательные полевые наблюдения (в т. ч. с применением методов ДЗЗ) за его динамикой, составом и строением;

· моделирование и прогноз развития глетчера на основе данных о механизмах его фунционирования.

В целом методы полевого наблюдения можно заимствовать из методики изучения курумов - при условии, что они будут иметь смысл с учетом размеров глетчера. Так, фотограмметрия и GPS-контроль могут быть с успехом применены и на каменных глетчерах, и на курумах, тогда как метод траншей-ловушек теряет всякий смысл. В частности, при проведении работ Казахстанской высокогорной геокриологической лабораторией в горах средней Азии применялись следующие методы (Горбунов, Титков, 1989):

· повторные тахеометрические съемки с опорных сетей с контролем посредством замера расстояний между репером и фронтальным уступом глетчера мерной лентой (соответственно, для фронтальных частей);

· геодезические измерения способом прямых засечек (в средних и верхних частях глетчеров);

· тахеометрическая съемка с определением положения ряда маркированных обломков на поверхности глетчера (в средних и верхних частях);

· скоростные створы перпендикулярно движению глетчера (измерения с помощью теодолита с зафиксированным горизонтальным кругом и мерной ленты; обломки также маркировались краской);

· фототриангуляция (выбор нескольких крупных обломков на аэрофотоснимке, анализ их смещения на снимках последующих залетов, сравнение плановых координат точек с помощью стереокомпаратора).

При планировании прямых геодезических наблюдений следует учитывать, что движение каменных глетчеров носит пульсационный характер (хотя подвижки далеко не столь мощные как у обычных пульсирующих ледников), а также тот факт, что из-за сложного строения зона наиболее активного движения может наблюдаться отнюдь не в геометрической оси каменного глетчера, а её направление - не совпадать с ориентацией всего массива. При изучении каменных глетчеров необходимо максимально задействовать современные методы географических исследований (в частности, данные космической съемки, ГИС-моделирование).

В заключение отметим, что по нормативам (СП 11-105-97, часть IV), стационарные наблюдения, в т. ч. за склоновыми процессами, следует производить в сложных инженерно-геокриологических условиях (а высокогорья попадают именно в эту категорию) для ответственных сооружений, начиная их при изысканиях для предпроектной документации или проекта и продолжая при последующих изысканиях, а при необходимости (при широком развитии опасных криогенных процессов) - в процессе строительства и эксплуатации объектов (локальный мониторинг компонентов геологической среды). К сожалению, в действительности стационарные наблюдения при изысканиях обычно заканчиваются вместе со стадией проектной документации, в том числе и на объектах, строящихся в горах.

4. Инженерно-геокриологическое картографирование высокогорных районов

Специфика инженерно-геокриологического картографирования в горах

Инженерно-геокриологические карты (в дальнейше ИГКК) - являются разновидностью инженерно-геологических карт (в дальнейшем - ИГК) с отображением мерзлотной обстановки того или иного инженерно-геологического региона. ИГК - Инженерно-геологические карты представляют собой обобщенное изображение на топографической основе комплекса геологических параметров, взаимодействие которых определяет инженерно-геологические условия, специфику изысканий, строительства и эксплуатации инженерных сооружений (Трофимов, 1993). По содержанию ИГК разделяются на (Трофимов, Красилова, 2008):

· карты инженерно-геологических условий;

· карты инженерно-геологического районирования;

· карты инженерно-геологические прогнозные;

· карты измененности инженерно-геологических условий.

По назначению каждый из вышеперечисленных типов делится на общие и специальные (для определенных видов строительства, наиболее распространены в крупных масштабах), а по характеру отображаемой информации - на синтетические и аналитические. По масштабу ИГК делятся на:

· обзорные - 1: 1 500 000 и мельче;

· мелкомасштабные - 1: 1 000 000-1: 500 000;

· среднемасштабные - 1: 200 000-1: 50 000;

· крупномасштабные - 1: 25 000 и крупнее.

В большинстве случаев крупномасштабные карты - специальные, разрабатываются на определенных стадиях изысканий. ИГК масштаба 1: 5000 и крупнее фактически являются планами и используются при работах на размеченных участках исследований.

Фактически, вышеприведенная классификация может быть с не меньшим успехом применена и конкретно для ИГКК. На разных стадиях изысканий требуются не только разные по масштабу, но и разные по содержанию карты. Наиболее востребованными в начале изысканий, в качестве "входных данных", являются карты районирования, так как по ним идет предварительная разбивка территории на участки тех или иных исследований, что было отмечено выше. На всех этапах по результатам изысканий необходимо составлять инженерно-геокриологический прогноз, который также обычно сопровождается соответствующими картами. Помимо вышеперечисленного, также выделяются дежурные ИГК, представляющие собой "графоматематические модели, постоянно пополняемые новыми данными об изменениях инженерно-геологических условий" (Трофимов, Красилова, 2008). Они могут составляться разного содержания, в первую очередь это - аналитические карты инженерно-геологических условий. На их основе могут постоянно обновляться синтетические карты условий и т.д. Данное свойство регулярной обновляемости особенно важно для горных стран с их ярко выраженной динамичностью геокриологических условий, в наибольшей степени - для горных стран вблизи южной границы распространения ММГ. Данным требованиям полностью удовлетворяют ГИС - геоинформационные системы. Они обеспечивают оперативную оценку реакции геокриологической среды на техногенные воздействия, предоставляют расширенные возможности для прогноза, их информационная емкость ограничивается лишь аппаратным обеспечением используемых компьютеров и совершенством методов программирования. Можно создать мультимасштабные ГИС, позволяющие перейти к более крупным масштабам с параллельной сменой степени генерализации данных (в частности, от крупномасштабных специальных карт к планам). Это очень удобно при переходе, например, от стадии предпроектной документации к проектной и т.д., для отображения данных с участков стационарных наблюдений в пределах одной цифровой карты. В числе прочего ГИС - отличный инструмент для моделирования криогенных процессов и условий. Так, в последние десятилетия была разработана методика интерактивного крупномасштабного картографирования теплового состояния альпийской криолитозоны. Подобные проекты подразумевают наличие комплексной базы данных, блока анализа этих данных и моделирования теплофизических процессов, развивающихся в условиях, определяемых входной информацией для исследуемой территории. В целом, процесс геоинформационного моделирования температурного состояния горных пород можно отобразить графически в виде блок-схемы (рис. 4.1). Ныне геоинформационные системы постепенно вытесняют печатные картографические материалы, однако этот процесс идет слишком медленно.

Рисунок 0.1 Блок-схема геоинформационного моделирования термического состояния горных пород (Марченко, 2003)

Однако ясно, что для действительно достоверного и полного отображения геокриологических условий в высокогорьях необходимо интенсифицировать процесс компьютеризации инженерно-геокриологического картографирования с попутным тщательным сбором всей необходимой пространственной информации с использованием ДЗЗ и в особенности - полевых методов и, в частности, долго-

срочных стационарных наблюдений. Высокая степень пространственной дифференциации и временной динамичности геокриологических условий в горах вынуждают особенно тщательно разрабатывать базы данных, чтобы получать действительно качественные ГИС. Первоочередное внимание при геокриологическом геоинформационном картографировании горных стран нужно уделять:

1) структуре высотной геокриологической поясности, влиянии на неё климатических и геолого-геоморфологических факторов;

2) распространению и динамике криогенных процессов, в первую очередь склонового ряда;

3) взаимосвязям мерзлотных и гидрогеологических условий территории;

4) отражению высотной поясности в ландшафтах;

5) изменениям инженерно-геологических условий под влиянием природных и, в особенности, антропогенных причин.

Расширяя запасы информации по инженерно-геокриологическим условиям, можно будет создавать все более детализированные и крупномасштабные картографические материалы, с последующим оперативным использованием их для нужд народного хозяйства.

Карта инженерно-геологического районирования участка трассы газопровода "Алтай" масштаба 1: 200 000

Карта инженерно-геологического районирования масштаба 1: 200 000 составлена на полосу трассы шириной 20 км и протяженностью 2622 км - от КС "Пурпейская" (в 10 км к северу от слияния рек Вэнгапур и Пякупур) до границы с Китаем. Карта составлена в 2007 г. сотрудниками ОАО "ПНИИИС" (в процессе изысканий на стадии обоснования инвестиций в проект "Алтай"), в соответствии с требованиями основных нормативных документов по инженерным изысканиям (СНиП 11-02-96, СП 11-105-97), по методике, разработанной в ПНИИИСе и широко апробированной. Фрагмент данной карты с легендой представлен в приложении №1. Он покрывает участок трассы на участке 2390-2460 км, в районе Курайской и Чуйской межгорных впадин. На фрагменте отображено планируемое расположение компрессорной станции "Чуйская", которая должна будет поддерживать необходимое давление в трубе.

Легенда к карте разработана с учетом:

1) геоструктурных, инженерно-геологических и геокриологических условий территории прохождения трассы;

2) специфики проектируемого инженерного сооружения. Особое внимание при создании карты обращено на состав, мощность, состояние и свойства рыхлых покровных отложений и подстилающих их пород коренной основы.

Карта составлена на основе структурно-геоморфологической карты, корреспондируется с ней, что, в частности, отражается в совпадении ряда контуров карт. Геоморфологическая основа карты обеспечивает увязку между формами рельефа и слагающими их геолого-генетическими комплексами четвертичных отложений с особенностями инженерно-геологических и геокриологических условий территории.

На карте отражены:

· распространение, состав, генезис комплексов четвертичных отложений;

· состав и глубина залегания формаций коренных пород (там, где они залегают на глубинах менее 10 м);

· геокриологические условия (распространение ММП в % от площади выделенных инженерно-геологических районов, льдистость, средняя годовая температура пород, глубина сезонного промерзания и оттаивания);

· экзогенные физико-геологические процессы и образования;

· границы структур, тектонические разломы.

При составлении карты использованы:

· листы государственной геологической съемки в м-бе 1: 200 000;

· альбом инженерно-геологических карт в м-бе 1: 1 000 000, составленный на геологическом факультете МГУ под руководством В.Т. Трофимова, и другие мелкомасштабные карты;

· фондовые материалы из архива ОАО "ПНИИИС";

· опубликованные материалы о природных и инженерно-геологических условиях пересекаемых трассой регионов;

· материалы космической съемки в м-бе 1: 200 000.

условные обозначения к карте включают в себя несколько блоков.

Схема инженерно-геологического районирования (первый блок легенды карты) представляет собой матрицу, содержащую информацию о генезисе, возрасте, составе пород первого от поверхности горизонта (до глубины 10-15 м), представленного связными и несвязными породами преимущественно четвертичного возраста. Как можно видеть, матрица является инструментом, с помощью которого осуществлено типологическое районирование полосы трассы газопровода по составу и генезису слагающих ее грунтов. Принятая форма проведения типологического районирования позволяет эффективно использовать ГИС-технологии при составлении карты.

Присущая каждому типу районов информация об их инженерно-геологических условиях дополняется сведениями, которые содержатся в остальных блоках условных обозначений.

Во втором блоке показан состав и возраст формаций коренных пород для тех районов, в которых глубина их залегания меньше 10 м. В соответствующих типах районов представлены буквенные индексы, отвечающие выделенным группам формации.

В третьем блоке проанализирована, обобщена и в матричной форме представлена информация о геокриологических условиях полосы трассы. Матрица составлена на основе представлений о высотно-поясных закономерностях распространения ММП, их мощности, значения средней годовой температуры. Эта информация накладывается с помощью штриховки и других условных знаков на контуры выделенных типов районов. Льдистость показывается индексами: "Л" (льдистые) и "СЛ" (сильнольдистые) породы (по ГОСТ 25100-95). В районах без индекса льдистость слагающих их пород (ii) меньше 0,2. Глубины сезонного оттаивания и промерзания пород показываются цифрами (в скобках - глубины сезонного промерзания, м). На карте глубины сезонного оттаивания и промерзания показываются для тех районов, в которых доминируют массивно-островной и островной типы распространения ММП. В районах, где распространены талые породы, а также где массивы ММП занимают меньше 10% площади районов, проставлены глубины сезонного промерзания пород. В районах прерывистого и сплошного распространения ММП показаны глубины сезонного протаивания пород.

Экзогенные физико-геологические процессы и образования показаны на карте внемасштабными значками. Степень пораженности процессами разная.

На инженерно-геологической карте, также как и на структурно-геоморфологической, приведена информация о структурно-тектонических условиях пересекаемых трассой регионов.

В сложных инженерно-геокриологических условиях Горного Алтая границы геокриологических подпоясов не всегда совпадают с инженерно-геологическими районами, поэтому в таких случаях на карте показываются границы районов с различными типами распространения ММП.

Находящиеся в разных зональных условиях типы районов могут быть наделены индивидуальными особенностями. Например, районы одного типа могут располагаться в зоне ММП и вне ее. В первом случае в районе распространены мерзлые породы определенной льдистости и температуры, во втором - талые. Такой принцип позволяет отразить на карте все разнообразие присущих трассе инженерно-геологических условий, сформировавшихся в разных зональных и высотно-поясных условиях. Это разнообразие, в частности, выразилось в большом количестве выделенных типов инженерно-геологических районов.

Карта распространения, мощности и температуры многолетнемерзлых пород на территории республики Алтай

Для наглядной иллюстрации применимости ГИС для картографирования инженерно-геокриологических условий высокогорий, а также в целях отображения высотной геокриологической поясности Горного Алтая, описанной выше, была составлена обзорная (масштаб - 1: 1 000 000) карта на территорию республики (приложение №2). Согласно классификации В.Т. Трофимова, по содержанию это общая аналитическая карта типологического генетико-морфологического инженерно-геологического районирования. Основными типологическими единицами здесь служат высотные геокриологические пояса: сезонного промерзания и распространения многолетнемерзлых пород. Последний разделен на подпояса, характеристики которых перечислены в разделе 2.1 Высотные интервалы распространения ММП, взятые за основу для построения карты (табл. 4.1), получены в результате анализа литературных источников (Технический отчет …, 2007; Розенберг, 1989; Шац, 1978; см. раздел 2.1).

Для отображения типологических единиц районирования, основным изобразительным средством является цветовой фон. Кроме того, методом ареалов показано современное оледенение Горного Алтая в соответствии с данными проекта GLIMS (Global Land Ice Measurement from Space) (Muravyev, 2007). Основной проблемой при составлении ГИС явилось отображение высотных поясов в соответствии с экспозиционной асимметрией распространения ММП. Учитывая мелкий масштаб карты и её обзорный характер, а также руководствуясь методикой, примененной С.С. Марченко при составлении карты многолетней криолитозоны центральной части Северного Тянь-Шаня (масштаб 1: 200 000), был применен "подход, при котором учитываются различия в высотном положении границ распространения ММП для макросклонов (курсив автора), имеющих наиболее выраженные различия геотермического режима. Таковыми являются макросклоны северной и южной ориентации" (Марченко, 2003. С.85).

ГИС создавалась с помощью программы ArcMap программного комплекса ArcGIS Desktop 10 компании ESRI. Первоочередной задачей при составлении ГИС было создать цифровую модель рельефа (далее - ЦМР) на территорию Горного Алтая, а также использовать схему административно-территориального деления, чтобы отграничить исследуемую территорию. Источником стал интернет-ресурс GIS-Lab ("ГИС Лаборатория"), посвященный ГИС и дистанционному зондированию Земли (URL: http://gis-lab. info). ЦМР в базе данных GIS-Lab представлена в виде отдельных блоков в соответствии со схемой разграфки координатной системы WGS 1984. Для удобства работы блоки ЦМР были объединены в одно целое и переведены в координатную систему Pulkovo 1942, осевым меридианом назначен 870 в. д.

Далее, с помощью модуля пространственного анализа Spatial Analyst, являющегося в ArcGIS основным инструментом для работы с растровыми данными, с ЦМР была произведена операция реклассификации. Смысл её прост: старым значениям растра присваиваются новые в соответствии с классификацией, заданной пользователем. Таким образом были составлены отдельно слои поясности для макросклонов северных и южных экспозиций, а также для плоских поверхностей (в последнем случае для границ геокриологических высотных поясов брались средние значения). После этого требовалось выделить из каждого слоя только те ячейки растра, которые непосредственно относились к поверхностям того или иного типа (северный макросклон, южный макросклон; слой для плоских поверхностей для удобства просто "лежит" под слоями для макросклонов, "закрывая дырки"). Используя инструмент Surface > Aspect в Spatial Analyst, была создана карта экспозиций Горного Алтая. Экспозиции также были реклассифицированы: плоские поверхности остались отдельным классом, а склоны северных и южных румбов (север + северо-восток + северо-запад, аналогично для юга) были объединены.

Отдельно стоял вопрос, что делать с восточными и западными экспозициями. В Инженерной геологии СССР (1990), при описании мерзлотно-гидрогеологических условий Горного Алтая отмечено, что "на склонах западной экспозиции нижняя граница распространения многолетнемерзлых пород опускается значительно ниже, чем на склонах, обращенных к востоку" (стр.88). То же самое отмечено и в Геокриологии СССР (Розенберг, 1989). В соответствии с этими утверждениями было решено при реклассификации отнести западные склоны к северным (где граница ММП располагается ниже), а восточные - к южным (соответственно, граница выше). С помощью инструмента Conditional > Con была произведена "обрезка" слоев поясности на разных макросклонах слоем объединенных экспозиций (в случае, если ячейки слоя поясности накладывались на несоответствующие им ячейки слоя экспозиций, им попросту присваивалось нулевое значение).

Таким образом, целостное отображение поясов распределения ММП состояло фактически из трех слоев, один из которых (мерзлота на плоских поверхностях)"подстилает" два других, не пересекающихся друг с другом слоя (северных и южных макросклонов). Последние два слоя нами объединены в один для удобства работы в программной среде: поскольку значения слоев не пересекаются, конечное отображение осталось прежним, кроме того, это облегчает использование инструмента идентификации (Identify). В результате высотная геокриологическая поясность отображается через два слоя.

Для отображения проявлений континентального типа геокриологической поясности в пределах Чуйской и Курайской котловин и плато Укок данные территории были оцифрованы вручную. Оцифровка велась с помощью карты рельефа на базе ЦМР. Новообразованный векторный слой был преобразован в растровый и присоединен к слоям поясов на макросклонах, чтобы при подсчете площадей поясов в атрибутивной таблице слоев территории котловин учитывались отдельно.

Таблица 0.1 Основные пространственные характеристики распространения ММП на территории республики Алтай

Типы распространения ММП (высотные геокриологические подпояса)

Нижние границы геокриологических подпоясов, м абс. выс.

Средняя мощность ММП, м

Средний уклон поверхности

Температура ММП,°С

Площадь подпояса, км2

Приблизительная площадь массивов ММП, км2 (без ледников/с ледниками)

Северо-западный макросклон

Юго-восточный макросклон

Межгорные депрессии

Северо-западный макросклон

Юго-восточный макросклон

Сплошной (>90%)

2500-2600

2700-2800

2100

>150 м

19,3

21,6

-2…-6

10137

8472/9123 ч ?10137

Прерывистый (60-90%)

2300-2400

2500-2600

1750

30-150

14,8

16,7

-0,5…-3

8197

4918ч7377

Массивно-островной (30-60%)

1800-1900

2000-2100

1500

20-50

14,2

14,4

-0,5…-2

22564

6769ч13538

Островной (10-30%)

1400-1500

1600-1700

--

10-30

15,7

14,6

-0,1…-1

19032

1903ч5710

Спорадический (<10%)

1100-1200

1300-1400

--

<20

16,2

16,6

-0…-0,5

12350

<1235

Таким образом, были получены данные для составления таблицы площадей распространения ММП в пределах высотных поясов (см. табл.4.1) на основе установленных процентных долей площади ММП для каждого пояса. Для подсчета площадей был также построен слой средних уклонов поверхности для поясов разных экспозиций (Spatial Analyst > Zonal > Zonal Statistics), чтобы значения площади на плоскости перечислить в реальные значения площадей поверхности склонов. Входящими данными служили слои реклассификации ЦМР для разных макросклонов и слой углов наклона (инструмент для его создания - Surface > Slope).

Подводя итог описанию методики составления ГИС, перечислим слои, послужившие основой для составления и анализа слоев высотной геокриологической поясности:

· слой рельефа;

· слой "объединенных экспозиций";

· слой осредненных уклонов поверхности.

В завершение, в ГИС были добавлены слои, отражающие оледенение, гидрографическую сеть территории (как исследуемой, так и прилегающих к ней) и границы соседних субъектов РФ и стран.

По данным вычислений, суммарная площадь всего высотного пояса распространения многолетнемерзлых пород равна приблизительно 72 280 км2, что составляет около 78% территории республики Алтай (при площади в 92 900 км2 по данным Росстата на 14.07.2010). Площадь территорий, покрытых ММП, колеблется в пределах от 22 062 до 38 177 км2, или же от 24% до 41% территории республики. При этом наибольшую площадь занимает подпояс массивно-островного распространения ММП (рис.4.2).

При анализе территорий, подверженных оледенению, возникает вопрос о развитии ММП под ледниками. Согласно В.В. Поповнину (устное сообщение), оледенение Алтая характеризуется политермичностью - в данном регионе представлены как холодные ледники (температуры ниже подошвы активного слоя не достигают 00С), так и теплые (температуры ниже подошвы активного слоя около 00С). Активный слой ледника - это верхний слой ледниковой толщи, где происходят внутригодовые изменения температуры (Войтковский, 1999). Учитывая недостаток фактического материала по данному вопросу, можно лишь предположить, что под более мощными ледниками мерзлые породы отсутствуют в силу влияния в первую очередь значительного давления, способствующего выделению тепла в процессе движения в результате внутренних деформаций и трения днища ледника о его ложе (Романовский, 1993). Таким образом, при площади оледенения в 724 км2 (см. раздел 1.1), минимальная площадь развития многолетнемерзлых пород в подпоясе их сплошного распространения колеблется в пределах 7572 - 8296 км2.

Заключение

При инженерно-геокриологических изысканиях в высокогорье требуется решение конкретных вопросов, возникающих лишь в горной криолитозоне:

1) описание высотной геокриологической поясности, обусловленной комплексом экзогенных и эндогенных факторов (климат, абсолютные высоты, геоморфологическое, тектоническое и геологическое строение, гидрогеологический и геодинамический режим, история развития территории);

2) тщательное изучение криогенных процессов склонового ряда, встречающихся лишь в горах и представляющих значительную угрозу для инженерных объектов (солифлюкция, курумообразование, деятельность каменных глетчеров), а также выявление новых закономерностей в развитии общераспространенных криогенных процессов (наледеобразование, криогенное пучение и т.д.);

3) изучение гидрогеологического режима с учетом повышенной сложности территории, представляющей из себя криогидрогеологическую горно-складчатую область, включающую в себя разнообразные гидрогеологические массивы, артезианские бассейны и, в случае проявления вулканизма, вулканогенные супербассейны;

4) ввиду распространенности криогенных процессов, их повышенной интенсивности и обусловленности эндогенными факторами, не проявляющимися на равнинах, необходимо обустройство полигонов для стационарных наблюдений. Наблюдения на полигонах должны продолжаться на протяжении всех стадий изысканий, вплоть до изысканий при строительстве и эксплуатации объектов.

Таким образом, категории сложности инженерно-геокриологических условий в горах оказываются как минимум "средней сложности", а чаще всего - "сложные", что неизбежно приводит к значительному расширению объемов изыскательских работ и затрат на их производство. В особенности все вышеперечисленное актуально для горного участка трассы проектируемого газопровода "Алтай". Инженерно-геокриологические условия данного района характеризуются тем, что преимущественно океанический тип геокриологической поясности, представленный всеми возможными подпоясами распространения ММП, осложнен участками развития континентального типа поясности. А трасса газопровода проходит именно по этим участкам (Курайская котловина, Чуйская котловина, плато Укок). Широкое развитие опасных криогенных процессов, наличие законсервированных в мерзлоте погребенных ледниковых льдов требует особого внимания изыскателей и проектировщиков. Все это значительно усложняет и удорожает изыскательские работы на данном объекте.

Усложняется также и процесс инженерно-геокриологического картографирования. Необходимо как можно шире внедрять ГИС-технологии на всех стадиях геокриологических изысканий. В данной работе представлен пример картографического отображения собранной в процессе изысканий информации о структуре высотной геокриологической поясности определенной горной страны. Показаны возможности ГИС в отношении наглядной иллюстрации имеющегося фактического материала, а также численных расчетов. При переходе инженерных изысканий на следующие стадии и расширении базы накопленного фактического материала ГИС позволяют в разы повысить качество геокриологического мониторинга и прогноза благодаря таким их достоинствам, как: мультимасштабность, возможности оперативного обновления данных, цифрового анализа и моделирования. Главными определяющими качество свойствами цифровых данных при составлении подобных ГИС являются: разрешение цифровой модели рельефа, детальность собранного фактического материала.

В частности, при анализе составленной автором ГИС на территорию Горного Алтая установлено, что более половины площади пояса распространения ММП составляют подпояса массивно-островного и прерывистого распространения ММП (31% и 26% соответственно). Данный факт свидетельствует в пользу суждения о том, что инженерно-геокриологические условия Горного Алтая отличаются особой сложностью: именно в пределах этих двух подпоясов наблюдается наибольшая изменчивость мерзлотно-гидрогеологических условий и развиты все описанные в разделе 2.2 криогенные процессы.

На сегодняшний день изыскатели, работающие в горной криолитозоне, нуждаются в тщательно проработанных дополнениях к действующим нормативам, рекомендациям и методикам. Большинство этих документов были разработаны во второй половине XX века (преимущественно 60-80е годы). Главные цели, которые нужно преследовать при доработке нормативных документов с учетом геокриологических условий горных стран и современных реалий: полное описание методик изучения всех известных на сегодня криогенных процессов склонового ряда и разработка единой методики современного геокриологического горного картографирования с применением геоинформационных систем.

Список использованной литературы

1. Беляк В.И. Морфолитогенез карбонатных отложений вершинного пояса горных стран в условиях многолетней мерзлоты (на примере западной части Восточного Саяна). - В кн.: Вопросы морфолитогенеза в вершинном поясе горных стран. Чита: Изд-во Забайкальского фил. Географ. об-ва СССР, 1968. - С.27-31

2. Большая советская энциклопедия. Т.1. А - Ангоб / Гл. ред.А.М. Прохоров. - 3-е изд. - М.: "Сов. энциклопедия", 1969. - 608 с.: ил.

3. Войтковский К.Ф. Основы гляциологии. - М.: Наука, 1999. - 255 с.

4. Гвоздецкий Н.А., Михайлов Н.И. Физическая география СССР. - М.: Высшая школа, 1987

5. Горбунов А.П., Северский, Э.В. Температурный режим и криогенное строение крупнообломочных отложений в Северном Тянь-Шане // Проблемы геометеорологии и аккумуляции земного холода. - Свердловск, 1990. - С.54-58.

6. Горбунов А.П., Северский Э.В., Титков С.Н. Геокриологические условия Тянь-Шаня и Памира. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1996. - 194 с.

7. Горбунов А.П., Титков С.Н. Каменные глетчеры гор Средней Азии. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1989. - 164 с.

8. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

9. Грязнов М.П. Пазарыкское княжеское погребение на Алтае // "Природа". 1929. № 11. С.917-986.

10. Достовалова М.С., Шитов А.В. Влияние метеорологических характеристик и геодинамической активности на режим образования гидрогенных наледей Горного Алтая // ГеоРиск. 2011. № 4. С.36-43.

11. Изучение наледей. Методическое пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

12. Инструкция по производству мерзлотно-гидрогеологической и инженерно-геологической съемки масштабов 1: 200000 - 1: 500000. МГУ, 1969.

13. Луговой П.Н. Особенности геокриологических условий горных стран. - М.: Наука, 1970. - 134 с.: ил.

14. Макунина А.А. Физическая география СССР. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985. - 296 с.: ил.

15. Малолетко А.М. Вечная мерзлота и гидрогеологические условия Чуйской степи (Горный Алтай) // Гляциология Алтая. Вып. VI. - Томск, Изд-во ТГУ, 1970. - С. 202-212.

16. Марченко С.С. Криолитозона Северного Тянь-Шаня: прошлое, настоящее, будущее. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 2003. - 106 с.

17. Методы геокриологических исследований: Учеб. пособие / Под ред. Э.Д. Ершова. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. - 512 с.: ил.

18. Модина Т.Д. Климаты Республики Алтай. - Новосибирск: Изд-во НПУ, 1997.

19. Мудров Ю.В. Мерзлотные явления в криолитозоне равнин и гор. Основные понятия и определения. Иллюстрированный энциклопедический справочник. - М.: Научный мир, 2007. - 316 с: ил.

20. Общее мерзлотоведение (геокриология): Учебник / Под ред.В.А. Кудрявцева. - Изд.2, перераб. и доп. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. - 464.: 33 табл., ил.

21. Раковец О.А., Трепетцов Е.В. Развитие Алтая в четвертичное время. - В кн. Инженерная геология СССР. Том 5. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. - С.22-30.

22. Розенберг Л.И. Геокриологические условия Алтая. - В кн. Геокриология СССР. Горные страны юга СССР. - М.: Недра, 1989. - С.226-246.

23. Розенберг Л.И. Горно-Алтайский регион. - В кн. Инженерная геология СССР. Алтае-Саянский и Забайкальский районы. - М.: Недра, 1990. - С.79-96.

24. Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы: Учебное пособие. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. - 336 c.

25. Рудой А.Н. Возраст тебелеров // Современные геоморфологические процессы на территории Алтайского края. - Бийск, 1984. - С.56-58.

26. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения.

27. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

28. Справочник по климату СССР. Выпуск 20. Часть I. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966.

29. Справочник по климату СССР. Выпуск 20. Часть IV. Томская, Новосибирская и Кемеровская области и Алтайский край. Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969.

30. Технический отчет "Описание природных условий и методики составления карт" / Обоснование инвестиций в проект "Алтай". Том 11, Ч.1, Кн.1. - М.: ПНИИИС, 2007.

31. Трофимов В.Т. Инженерно-геокриологическое картографирование сегодня: теория, практика, проблемы // Инженерная геология: теория, практика, проблемы: Сб. науч. тр. / Под ред.В.Т. Трофимова. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. - С.4-12

32. Трофимов В.Т. Теоретические вопросы инженерно-геологического районирования // Вестн. Моск. ун-та. Сер.4. Геология, 1979б. №1. С.64-76.

33. Трофимов В.Т., Красилова Н.С. Инженерно-геологические карты: учебное пособие. - М.: КДУ, 2008. - 383 с.: ил., табл.

34. Шац М.М. Геокриологические условия Алтае-Саянской горной страны. - Новосибирск: Наука, 1978. - 102 с.

35. Muravyev, A. 2007. GLIMS Glacier Database. Boulder, CO: National Snow and Ice Data Center/World Data Center for Glaciology. Digital Media.

36. Narozhniy, Y. K., Zemtsov, V. A. (2011). Current State of the Altai Glaciers (Russia) and Trends Over the Period of Instrumental Observations 1952-2008 // AMBIO: A Journal of the Human Environment. Vol.40 (Issue 6 (Sep 2011)), P.575-588.

37. Проект "Алтай. Разноцветный август". URL: http://geo. metodist.ru/altai.

38. GIS-Lab ("ГИС Лаборатория"). URL: http://gis-lab. info.

Приложения

Приложение №1. Фрагмент карты инженерно-геологического районирования полосы трассы газопровода масштаба 1: 200 000

Приложение №2. Карта распространения, мощности и температуры многолетнемерзлых пород на территории республики Алтай

Размещено на Allbest.ru

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены