Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о подводных гравитационных склоновых процессах и их инженерно-геологический анализ 11
1.1. Опыт исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства морских нефтегазовых сооружений 12
1.2. Классификации подводных гравитационных процессов 21
1.3. Распространение подводных гравитационных процессов на дне Мирового океана и их характерные морфометрические особенности 28
1.4. Методы исследования подводных гравитационных процессов 35
Глава 2. Инженерно-геологические условия шельфа и основные факторы формирования оползней в рассматриваемом регионе 48
2.1. Инженерно-геологические условия района I, расположенного между бухтами Джубга и Хоста 56
2.2. Инженерно-геологические условия района II, расположенного вблизи бухты Вулан 65
2.3. Инженерно-геологические условия района III, расположенного между мысом мал. Утриш и бухтой Дюрсо 72
2.4. Подводные гравитационные потоки и их механизмы 77
2.5. Факторы и условия формирования подводных гравитационных процессов в северо-восточном секторе Чёрного моря 81
2.6. Типизация подводных гравитационных процессов в рассматриваемом регионе 90
Глава 3. Обоснование расчётной схемы устойчивости отложений шельфа и учёт дополнительных воздействий 93
3.1. Обоснование расчётной схемы оценки устойчивости подводных склонов 93
3.2. Методика расчёта устойчивости подводных склонов 95
3.3. Выбор прочностных свойств грунтов для расчёта устойчивости подводных склонов 103
3.4. Учёт сейсмического воздействия при расчёте устойчивости склонов 107
3.5. Учёт воздействия штормовых волн при расчёте устойчивости подводных склонов 109
Глава 4. Оценка устойчивости отложений, слагающих шельф Чёрного моря, при действии только гравитационной силы 112
Глава 5. Оценка устойчивости отложений, слагающих шельф Чёрного моря, с учётом дополнительных воздействий 128
5.1. Результаты оценки устойчивости подводных склонов с учётом сейсмического воздействия 128
5.2. Результаты оценки устойчивости подводных склонов с учётом воздействия штормовых волн 149
Заключение 156
Литература 159
Приложение 171
- Опыт исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства морских нефтегазовых сооружений
- Инженерно-геологические условия района II, расположенного вблизи бухты Вулан
- Методика расчёта устойчивости подводных склонов
- Результаты оценки устойчивости подводных склонов с учётом воздействия штормовых волн
Введение к работе
При проектировании подводных трубопроводов и сооружений нефте- и газодобывающего комплекса необходимо подробно исследовать геологические и инженерно-геологические процессы [Трофимов, Аверкина, 2009]. Эти процессы могут представлять опасность для целостности подводных сооружений, и, в отличии от субаэральных условий, для подводных практически невозможно разработать мероприятия инженерной защиты от их воздействий. Для областей шельфов, континентальных склонов и их подножий наиболее характерными являются процессы, связанные с мобилизацией и транспортировкой осадочного вещества. Они относятся к экзогенным геологическим процессам, которые обусловлены действием силы тяжести, и формируют группу подводных гравитационных процессов. В настоящей работе под гравитационными понимаются склоновые процессы, связанные с действием гравитационной силы.
Актуальность работы. Интенсивное освоение шельфа Чёрного моря в связи со строительством подводных газопроводов, таких как: «Голубой поток», «Джубга-Лазаревское-Сочи» и «Южный Поток», обусловливает необходимость исследования подводных гравитационных процессов.
Гравитационные процессы на подводных склонах распространены так же широко, как и на склонах дневной поверхности [Hampton et.al., 1996]. Подводные склоны Чёрного моря не являются исключением - отложения гравитационных процессов были обнаружены здесь ещё в первой половине XX в. [Архангельский, 1930; Архангельский, Страхов, 1938]. Многочисленные геофизические и гидрографические исследования континентального склона Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, указывают на повсеместное развитие подводных оползней и потоков в массивах грунтов, слагающих его поверхнрсть [Сафьянов и др., 2001; Сорокин, Лукша, 2002; Вержбицкий и др., 2005; Москаленко, Шимкус, 2005; Москаленко и др., 2006; Евсюков, 2009; Есина, Хворощ, 2009]. По данным эхолотных промеров более 50% поверхности континентального склона подвержено воздействию подводных потоков и оползней [Евсюков, 2009].
Подводные гравитационные процессы в Чёрном море исследовались преимущественно учёными литологами и седиментологами. Исследования учёных по этим научным направлениям заключаются в изучении донных Отложений и условий их формирования. Интерес инженер-геологов к подводным гравитационным процессам в Чёрном море обусловлен необходимостью инженерной оценки условий строительства подводных газопроводов, кабелей связи, а также освоением нефтегазовых месторождений в последние десятилетия и заключается в изучении механизма, условий, факторов формирования этих процессов и составления прогноза их развития.
По мнению Н.А. Айбулатова [Айбулатов, 2002] и А.С. Фёдорова [Фёдоров и др., 2009] в отложениях, слагающих поверхность Черноморского шельфа, примыкающего к Западному Кавказу, оползневые процессы встречаются крайне ограничено'и не представляют опасности для Подводных инженерных сооружений. Результаты изысканий для обоснования строительства подводных
газопроводов, выполненных за последние 15 лет, позволили выявить широкое распространение оползневых процессов не только в отложениях, слагающих континентальный склон, но и в отложениях, слагающих шельф Чёрного моря, примыкающий к Западному Кавказу. Накопленный материал позволил сделать выводы о механизме и факторах формирования подводных оползней в рассматриваемом регионе и разработать расчётную схему оценки устойчивости подводных массивов для дальнейшего выполнения моделирования развития оползней на начальной стадии их формирования. Проявление подводных оползней на дне акваторий может приводить к деформациям оснований и разрушению сооружений нефте- и газодобывающего комплекса [Prior, Coleman, 1982], что может привести к негативным экологическим последствиям и экономическому ущербу. Поэтому результаты моделирования оползневого процесса представляют большой интерес для проектирования подводных инженерных сооружений на шельфе и континентальном склоне Чёрного моря, в чём и заключается актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель работы. Выявление закономерностей формирования подводных оползней в отложениях шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, на участке между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста и моделирование этих процессов. Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:
-
сбор и обработка литературных и фондовых данных о подводных гравитационных процессах в Мировом океане и Чёрном море с целью обобщения и критического анализа современных представлений об их типах, факторах формирования, механизмах, а также методах составления прогноза их развития;
-
характеристика инженерно-геологических условий рассматриваемого участка шельфа Чёрного моря;
-
выявление основных типов подводных - оползней, развитых в отложениях шельфа Чёрного моря, а также факторов и условий их формирования;
-
составление и обоснование расчётной схемы оценки устойчивости массивов, слагающих подводные склоны рассматриваемого участка шельфа, в соответствии с особенностями инженерно-геологических условий, с целью моделирования развития подводных оползней на начальной стадии их формирования;
-
оценка устойчивости шельфа Чёрного моря и количественная оценка ведущих факторов формирования подводных оползней в массивах рассматриваемого региона;
-
разработка рекомендаций по методике исследования подводных гравитационных процессов для обоснования 'строительства нефтегазовых сооружений на континентальных окраинах морей и.океанов.
Объект исследования. Различные подводные гравитационные процессы, широко развитые на дне Мирового океана и Чёрного моря в частности. Предметом исследования являются преимущественно подводные оползни, распространённые в массивах дисперсных грунтов, слагающих шельф Чёрного
-:'" nil] уляч^э«|\ -гі , if lu'-lt.'SbJ. МЧНі.'Очііі;-.". Жшапіі.- ,?0i;i.COl\--.';'d'.'i
моря, примыкающий к Западному Кавказу, на участке между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста. Также в работе рассматриваются различные типы подводных гравитационных потоков, отложения которых широко распространены в области Черноморского континентального склона в пределах рассматриваемого региона.
Фактический материал. При подготовке настоящей работы были использованы новые данные опробования донных грунтов в Чёрном море, полученные при участии автора настоящей работы в ходе рейсов на НИС «Профессор Штокман» и НИС «Академик Голицын» в 2011 г. Также в работе были использованы данные бурения и опробования, полученные в ходе рейсов на НИС «Диорит», данные геофизических, гидрографических и геотехнических работ, полученные на НИС «Акванавт» в 2008 г., НИС «Профессор Штокман», НИС «Академик Голицын», НИС «Хезер Си» и НИС «Борей» в период с 2009 по 2011 гг. В работе были задействованы архивные данные ООО «Питер Газ», которые были критически рассмотрены и глубоко проанализированы автором. Также были использованы материалы, собранные автором в ФГУНПП «Росгеолфонд», которые представляют собой результаты площадных исследований, выполненных для составления государственных геологических карт масштабов 1:50 000 (листы L-37-XXVI-III-A, Б, В, Г; 112 - В, Г; 123 - Б, Г; 124 - А, Б, Г; 125 - А, В), 1:200 000 (листы К-37-Ш, L-37-XXXIII, L-37-XXXIV), 1:1000 000 (листы L-37, К-37) в период с 1983 по 2008 гг. Все материалы, представленные в настоящей работе, были подготовлены автором, либо при непосредственном участии автора.
Методика работы. Для выявления и картирования отложений подводных гравитационных процессов на дне Чёрного моря были использованы результаты геофизических исследований, которые анализировались с помощью современных программных пакетов Global Mapper, Kingdom и ArcGis. Методы разведочных работ были использованы для изучения геологического разреза и отбора проб донных грунтов, которые затем подвергались испытаниям в судовых и стационарных лабораториях для определения их физических и физико-механических характеристик. Физические и физико-механические свойства донных грунтов затем использовались в расчётно-теоретических исследованиях, которые заключались в моделировании развития подводных гравитационных процессов на начальной стадии их формирования. Математическое моделирование проводилось посредством расчётов устойчивости подводных склонов в одномерной постановке по оригинальной методике, предложенной автором, с использованием разработок представленных в следующих работах [Калинин, 2006; Lee, Edwards, 1986; Hampton et.al., 1996; Seed, Rahman, 1978; Hance, 2003; Stability modeling with SLOPE/W 2007..., 2008]. Также расчёты устойчивости выполнялись на двухмерных моделях с использованием методов предельного равновесия на программных комплексах GeoStudio 2007 (GEO-SLOPE International, Ltd.) и Slide 5.0 (Rockscience inc.).
Научная новизна работы.
-
Впервые охарактеризованы инженерно-геологические условия континентальной окраины Чёрного моря.
-
Детально исследованы оползневые явления на шельфе Чёрного моря, подробно охарактеризованы их морфометрические особенности, состав, факторы формирования, механизм и динамика.
-
Разработана новая расчётная схема оценки устойчивости подводных склонов (в одномерной постановке) в соответствии с выявленным механизмом оползневых процессов.
-
Выполнены расчёты устойчивости подводных склонов с учётом особенностей подводного рельефа, состава, строения, состояния и свойств грунтов, а также дополнительных сейсмических и штормовых воздействий.
Теоретическая значимость и прикладная ценность. Полученные данные о подводных оползнях в отложениях шельфа и бровки континентального склона Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, могут быть использованы при проведении проектно-изыскательских работ в рассматриваемом регионе. В акватории Чёрного моря существует ряд перспективных нефтегазоносных структур [Роджерс, 2010]. Часть из них расположены в пределах подножия континентального склона, например Туапсинский прогиб, вследствие чего нефтегазоносные территории могут находиться под воздействием подводных гравитационных процессов и оползней в частности. Этот факт приведет к значительному ухудшению условий освоения месторождений - их проблематичной разработке и эксплуатации. Полученные результаты помогут оценить возможную опасность от воздействия этих процессов.
Защищаемые положения.
-
В массивах дисперсных грунтов внешнего и внутреннего шельфа Чёрного моря при наклонах поверхности от 0.4 и более формируются оползни скольжения. Во внутреннем шельфе для них характерен песчаный состав смещаемых отложений и мощности не более 1 м, а во внешнем шельфе - глинистый состав и мощности до 6 м.
-
Разработанная одномерная модель позволяет количественно оценивать устойчивость подводных оползней скольжения на стадии начала их формирования. Модель учитывает особенности механизма оползневого процесса и предполагает оценку устойчивости фрагмента массива грунта, опирающегося на расчётную поверхность скольжения единичной длины, а также позволяет выявлять критические соотношения между наклонами поверхности и мощностями смещаемых отложений с учётом их состава.
-
Вблизи бровки континентального склона, где наклон поверхности дна достигает 2 и более, а мощность глинистых грунтов 20 и более метров исключительно под действием силы тяжести могут формироваться оползни, захватывающие массив дисперсных грунтов почти на всю мощность.
4. При уклонах поверхности шельфа менее 2, возникновение
оползней возможно только при действии дополнительных нагрузок:
1) сейсмических с интенсивностями 7 и 9 баллов для массивов, сложенных глинистыми и песчаными грунтами, соответственно; 2) воздействии штормовых волн для массивов, сложенных глинистыми грунтами, при экстремальных характеристиках волнения с периодами повторяемости 100 лет при обеспеченности 0.1%, массивы же сложенные песчаными грунтами в результате воздействия штормовых волн в области шельфа будут сохранять устойчивость.
Личный вклад автора. При подготовке работы автором были собраны геологические и геофизические данные, выполнено их сопоставление и камеральная обработка. Участие автора настоящей диссертации в инженерно-геологических работах на различных судах в Чёрном море позволило получить более глубокое представление о строении массивов морских грунтов. По результатам обработанной геологической информации автором было выполнено более 200 серий одномерных расчётов устойчивости подводных склонов (каждая серия расчётов позволяет получить 200 значений коэффициента устойчивости), а также ряд расчётов устойчивости с использованием современных программных комплексов. При написании работы было лично выполнено обобщение и критический анализ опубликованных материалов по направлению исследований.
Научная апробация и публикации. Основные результаты настоящей работы были представлены на международных конференциях ЛОМОНОСОВ -2011 и -2012, 6-м международном симпозиуме «Submarine Mass Movements and Their Consequences», EngeoPro-2011, XIX Международной научной конференции (школе) по морской геологии, 6-ом Всероссийском литологическом совещании "Концептуальные проблемы литологических исследований в России" [Ионов, Калинин, 2011], на конференции геологического факультета МГУ "Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии", Ломоносовских четниях в 2011 и 2013 гг., Сергеевских чтениях в 2009 г. По теме диссертации опубликовано 2 работы в журналах рекомендованных ВАК [Ионов и др., 2012; Ионов, 2012], а также 1 работа находится в печати.
Структура и объём. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Рукопись содержит 192 страницы, 52 рисунков и 15 таблиц. Список литературы состоит из 162 наименований, 77 из которых на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Э.В. Калинину за руководство над диссертацией, полезные идеи и помощь в выборе верного направления в научной работе. К.г-м.н. И.К. Фоменко за помощь, оказанную при подготовке расчётной схемы для оценки устойчивости подводных склонов. Также автор глубоко признателен всем сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова за проявленный интерес к диссертационной работе, а также помощь при
подготовке работы к защите, в особенности заведующему кафедрой профессору д.г.-м.н. В.Т. Трофимову, профессору д.г.-м.н. Е.А. Вознесенскому, профессору д.г.-м.н. В.А. Королёву, профессору д.г.-м.н. Ю.К. Васильчуку, профессору д.г.-м.н. В.Н. Соколову, к.г.-м.н. О.В. Зеркалю, к.г.-м.н. Т.И. Аверкиной, к.г.-м.н. Л.Л. Панасьян, к.г.-м.н. С.К. Николаевой. Автор выражает благодарность всем сотрудникам управления инженерных изысканий ООО «Питер Газ» за постоянные консультации и моральную поддержку, в особенности к.г-м.н. С.Г. Миронюку, СМ. Клещину, СВ. Манжосову, Н.Г. Долинской, Д.А. Науменко, И.А. Островерховой, Д.А. Савину, О.В. Калошиной, К.С. Поповой, к.ф,-м.н. Ю.А. Реве, к.ф.-м.н. О.А.Вербицкой, к.г.н. Д.Е. Беседину, А.Ю. Павлову, А.П. Демонову, О.И. Янчук, В.Е. Морозову, A.M. Ивановой. Многочисленные консультации и советы были получены от А.Г. Рослякова - сотрудника кафедры литологии и морской геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Также автор выражает благодарность профессору Доррику Стоу, доктору Алине Стадницкой, профессору Хафлиди Хафлидэйсону, В.В. Шаниной, И.А. Нуждаеву, В.Ю. Литвину и А.В. Кохану за предоставленные обширные литературные материалы по направлению диссертационной работы.
Опыт исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства морских нефтегазовых сооружений
Историю исследования подводных гравитационных процессов условно можно разделить на два этапа. Первый этап характеризуется их изучением с седиментологической точки зрения. Второй этап связан с развитием инженерно-хозяйственной деятельности человека на морском дне - поиском и разведкой полезных ископаемых, обустройством месторождений, прокладкой подводных трубопроводов и кабелей связи. На первом этапе в задачи исследований подводных гравитационных процессов входило их описание для создания классификации отложений ряда кластолитов [Фролов, 1995]. В процессе исследования подводных гравитационных процессов на втором этапе возникла необходимость в получении прогнозной оценки их развития на морском дне. Для решения этой задачи помимо общих собственно геологических методов потребовалось привлечение специальных инженерно-геологических методов: экспериментальных, моделирования и расчётно-теоретических.
Началом исследования подводных гравитационных процессов на первом этапе можно считать появление теории формирования олистостромов и олистолитов, как результата оползневых смещений осадков на морском дне. Олистостромы и олистолиты встречаются в терригенных отложениях практически всех систем [Архангельский, 1930] и отличаются от нормальных слоистых осадков резкой дислоцированностью. Для объяснения происхождения этих образований геологи использовали сравнительно-геологический подход и пытались найти современные обстановки, в которых могут формироваться такие отложения. Развитие идей о формировании олистостромов приходится на конец ХГХ-начало XX в.
Одной из первых публикаций посвященной непосредственно тематике подводных оползней является работа А. Гейма 1908 г [Heim, 1908]. В работе рассматривается оползание илов в Швейцарских озёрах. В одном из озёр благодаря промерам глубин было установлено, что дальность выброса подводного оползня составила порядка 300 м при уклоне дна всего в 2ЗГ. Этот факт свидетельствует о высокой мобильности подводных оползней. Гейм в своей работе высказывает предположение о широком распространении подводных оползней не только на подводных склонах озёр, но и на склонах мирового океана.
В работе А.Д.Архангельского 1930 г. [Архангельский, 1930] приводятся результаты исследований осадков континентального склона Чёрного моря, которые полностью подтверждают предположение Гейма. В статье [Архангельский, 1930] показано, что подводные оползневые процессы повсеместно развиты на континентальном склоне Чёрного моря, о чём свидетельствует перемятый вид осадков в керне станций пробоотбора.
С появлением однолучевого эхолота в 1930-е и особенно многолучевого эхолота в 1950-ые гг. началось активное изучение дна мирового океана. В это время на отдельных участках континентальных склонов различных морских бассейнов были обнаружены подводные каньоны, и среди учёных возник повышенный интерес к проблеме их формирования. В работе Р.А. Дэйли 1936 г. [Daly, 1936] предлагаются различные теории формировании подводных каньонов. Одна из теорий связывает формирование подводных каньонов с движением потоков взмученных осадков вниз по континентальному склону. В работе также была предпринята попытка оценить скорость таких потоков с помощью относительно простого математического моделирования.
Благодаря теории о движении взмученных осадков как причины появления подводных каньонов началось более детальное изучение проблемы гравитационных потоков. Так как под гравитационными потоками в этом случае понимались турбидные потоки, для первой половины ХХв. характерно углублённое исследование именного этого типа процесса. Уже в 1938 г. Ф.Х. Кьюненом была опубликована работа под названием «Связь плотностных потоков с проблемой подводных каньонов» [Kuenen, 1938], в которой подробно рассматриваются и развиваются идеи Р.А. Дэйли. В это же время для плотностных потоков О. Джонсоном было предложено название «турбидное течение» [Обстановки осадконакопления и фации, 1990; Johnson, 1938], которое активно используется и в наши дни.
Начиная со второй половины 1930-х г., появляются первые работы, в основе которых лежит физическое моделирование гравитационных потоков. Наиболее серьёзные «пионерные» исследования в этой области были проведены Ф.Х. Кьюненом [Kuenen, Migliorini, 1950] и Х.С. Бэллом [Bell, 1942]. Кьюнен в соавторстве с Мильорини ВІ950 г. [Kuenen, Migliorini, 1950] опубликовали результаты физического моделирования различных турбидных потоков в лотках различной конфигурации с целью объяснения их причастности к формированию градационной слоистости в терригенном флише. Следует отметить, что рассуждения различных исследователей о механизмах подводных гравитационных процессов обычно строились на предположениях и догадках, а физическое моделирование в лабораторных условиях позволило сделать выводы об особенностях механизмов этих процессов на основании эксперимента. В 1929 г. в районе Большой Ньюфаундлендской банки произошло землетрясение. Сразу после этого события были зафиксированы разрывы телеграфных кабелей, пересекающих область континентального склона расположенного к югу от банки. Вначале исследователи связывали разрывы кабелей с образованием разломов или высокой интенсивностью сотрясения и лишь в 1952 г. была опубликована работа, посвященная турбидным потокам и оползням, как основной причине разрыва кабелей после землетрясения, произошедшего в этом районе [Heezen, Ewing, 1952]. Результаты аналогичных исследований, посвященных проблеме разрыва кабелей, были опубликованы в 1970 г. [Krause etal., 1970]. Следует отметить, что такие работы представляют большой интерес, так как при наличии данных о землетрясении, положении кабеля, месте разрыва и точном времени разрыва возможно получить информацию о скорости потока, а также восстановить всю цепочку развития процесса. Особенно ценными являются результаты повторных гидрографических и геофизических работ, выполненных на участке непосредственно после схода подводного оползня или потока. Причём данные о динамике процесса, полученные таким образом, основываются не на лабораторном эксперименте, как это часто происходит, а непосредственно на натурных наблюдениях.
Дальнейшие исследования механизма и динамики подводных гравитационных процессов позволили разделить эту группу на различные типы. Так, в работе Ф.Х. Кьюнена [Kuenen, 1956] рассматриваются основные отличия и взаимосвязь подводных оползней и турбидных потоков, а также отложений, которые они формируют. Работа Ф.Х. Кьюнена является одной из первых обзорных работ, посвященных проблеме классифицирования подводных гравитационных процессов.
Следует отметить, что во всех рассмотренных выше работах отсутствуют данные о физических и физико-механических свойствах грунтов. Как известно, именно эти две группы свойств являются основой для моделирования гравитационных процессов. Одними из первых работ, посвященных рассматриваемой теме, в которых приводятся сведения о физико-механических свойствах морских грунтов, является статья Д.Г. Мура 1961г. [Мооге, 1961] и Р.Ф. Дилла 1969 г. [Dill, 1969]. Д.Г. Мур приводит результаты определений прочностных свойств морских грунтов в области Калифорнийского шельфа Тихого океана и, используя эти результаты, проводит простейшие расчёты устойчивости. Расчёты позволяют выделить наиболее характерные, по мнению Д.Г. Мура, природные обстановки для подводных гравитационных процессов - речные дельты и верховья подводных каньонов [McClelland, 1956]. В работе Р.Ф. Дилла [Dill, 1969] внимание уделяется преимущественно факторам формирования подводных оползней. Рассматривается возможность смещения подводных массивов грунтов в результате воздействия землетрясений.
Исследования гравитационных процессов во второй половине XX в. характеризуются более углубленным и детальным изучением отдельных узких областей этой проблемы. Например, исследуются особенности динамики гравитационных потоков и рассматриваются отдельные факторы их возникновения. Появляются работы, посвященные внедрению воды в головные части турбидных потоков [Allen, 1971] и воздействию волн на устойчивость подводных склонов [Bea etal., 1983; Seed, Rahman, 1978].
Инженерно-геологические условия района II, расположенного вблизи бухты Вулан
Район II, расположенный вблизи бухты Вулан (пос. Архипо-Осиповка), ограничен с северо-востока изобатой 40 м, а с юго-запада - изобатой 1400 м (рис. 2.12). Ширина шельфа на рассматриваемом участке составляет от 4 до 9.5 км. Бровка континентального склона, после которой начинается резкое увеличение глубин в северо-западной части участка, начинается с изобаты 70 м, постепенно снижаясь в юго-восточном углу до изобаты 100 м.
Внешний шельф представляет собой пологую аккумулятивную равнину с наклоном менее 1. При приближении к бровке континентального склона поверхность рельефа становится неровной, наклон поверхности возрастает и в месте свала глубин достигает максимальных значений превышающих 30. Средние значения наклона поверхности континентального склона составляют порядка 10.
Поверхность континентального склона имеет сложное строение и рассечена системой подводных каньонов, при этом можно выделить основное русло, к которому примыкает множество отвершков или ветвей различного порядка. Основное русло каньона имеет С-ССВ простирание. Большинство отвершков примыкает к левому борту основного русла каньона, которое уходит далеко за границы рассматриваемого участка. Глубина вреза каньона достигает 300 м. Большинство ветвей и основное русло каньона в верховьях имеют U-образную форму придонной части, а по мере удаления от бровки континентального склона постепенно становятся плоскодонными [Сафьянов и др., 2001].
Согласно геофизическим данным мощность рыхлых отложений в области шельфа и бровки континентального склона составляет порядка 20 м. В области континентального склона рыхлые отложения распределены неравномерно. В донных областях каньонов и их отвертках мощность рыхлых отложений незначительна - в юго-восточном углу участка не превышает 2 м на уровне 200-метровой изобаты, а в северной части участка на уровне 110-метровой изобаты. При этом мощность рыхлых отложений может увеличиваться до 10-15 м на гребнях, разделяющих каньоны.
Геологическое строение рассматриваемого района было изучено по данным буровых скважин и станций опробования вдоль линий профилей 1-1 и 2-2 (рис. 2.13 и рис. 2.14). Эти профили имеют северо-восточное простирание, расположены в области бровки континентального склона и перпендикулярны ей, совпадают с направлениями падения подводных слонов. Один из них расположен в северной части участка и имеет длину 1 км, другой - в юго-восточной части и имеет протяжённость 870 м. Северный профиль находится в верховьях основного русла подводного каньона, а юго-восточный — в верховьях одного из отвершков.
Разрез рассматриваемого участка был изучен до глубины 28 м от поверхности дна. В его строении принимают участие грунты палеоцен-эоценового и четвертичного возраста.
Частные значения физических и физико-механических свойств грунтов подвергались статистической обработке по стандартной методике [ГОСТ 20522-96, 1996; ГОСТ 25100-95, 1997] результаты которой представлены в таблице 2.2. Следует отметить, что некоторые похожие по свойствам разновидности грунтов были встречены в геологических телах различного генезиса, поэтому для таких грунтов статистическая обработка проводилась совместно.
Грунты палеоцен-эоценового возраста представлены глинами тугопластичными до полутвёрдых, глинами твёрдыми до полутвёрдых и аргиллитами. Грунты четвертичного возраста - илом глинистым газонасыщенным, илом глинистым, глинами текучепластичными до мягкопластичных, супесями пылеватыми, песками пылеватыми до мелких, суглинками и глинами тугопластичными и ракушечным грунтом.
Архивные значения свойств грунтов включали в себя определения пределов Аттерберга и гранулометрического состава согласно британскому стандарту [BSI BS 1377-2, 1990], вследствие чего возникли затруднения при переводе названий грунтов. Для выделения их разновидностей была использована система, предложенная в работе [Локтев, 2004], личный опыт автора, архивные данные компании ООО «Питер Газ», а также результаты региональных работ.
Грунты палеоцен-эоценового возраста представлены терригенным флишем, а именно глинами и аргиллитами с редкими и маломощными прослоями песчаников, свойства которых представлены в таблице 2.2. По данным бурения, угол падения палеоцен-эоценовых отложений составляет от 30 до 80. Согласно региональным данным их слои падают в ЮЮЗ направлении. Максимальная вскрытая мощность отложений палеоцен-эоценового возраста составляет 19 м.
На породах терригенного флиша несогласно залегают отложения четвертичного возраста, представленные преимущественно илами, глинами и песками.
Суглинки и глины тугопластичные в основном покрывают континентальный склон и в некоторых станциях опробования и скважинах представлены глинистыми конгломератами (галькой тугопластичной глины и аргиллита в глинистом матриксе). Также в этих отложениях встречаются редкие и тонкие прослои песка и битой ракуши. Конгломераты указывают на оползневой генезис этих отложений [Архангельский, 1930], а тонкие прослои песка и битой ракуши (мощностью до 10 см) свидетельствуют о периодическом возникновении в прошлом подводных гравитационных потоков на данном участке. Эти грунты являются крайне неоднородными, свойства в пределах этого слоя могут изменяться в широких пределах и имеют случайных характер. Свойства обломков различного размера и состава будут существенно отличаться от свойств глинистого матрикса. Стоит отметить, что суглинки и глины тугопластичные характеризуются высоким недренированным сцеплением - 116,6КПа (по результатам определений с помощью микрокрыльчатки). Ракушечные грунты были встречены в разрезе юго-восточной части рассматриваемого участка. Эти отложения залегают в области шельфа и бровки континентального склона, непосредственно на породах терригенного флиша, а также перекрывают толщу песков. В большинстве случаев ракушечный грунт представляет собой битую ракушу. Вследствие сложностей, связанных с определением физических и физико-механических свойств таких грунтов (грунт можно отнести к крупнообломочным грунтам), ракушечный грунт оказался неопробованным, поэтому в расчётах устойчивости склонов были использованы свойства аналогичных грунтов, полученные для первого участка, рассмотренного выше.
Пески мелкие и пылеватые встречены в области шельфа и бровки континентального склона в юго-западной части рассматриваемого участка и формируют погребённую аккумулятивную форму, напоминающую бар или банку. Пески характеризуются высоким содержанием карбонатов — среднее значение 67%. В расчётах устойчивости склонов для песков мелких и пылеватых также использовались физико-механические характеристики определённые для песков из рассмотренного выше района.
Супеси пылеватые локально распространены на рассматриваемом участке и приурочены к аккумулятивному песчаному телу, расположенному в области шельфа в юго-западной части участка. Супеси характеризуются консистенцией от текучей до пластичной
Глины текучепластичные до мягкопластичных широко распространены как в области шельфа, так и на континентальном склоне. В области континентального склона эти отложения характеризуются оползневым генезисом - встречаются обломки полускальных грунтов, тугопластичных и полутвёрдых глин различной степени окатанности, редко можно обнаружить тонкие прослои битой ракуши и песка. Среднее значение сопротивления недренированному сдвигу 21,5 КПа (по результатам определения лабораторной крыльчаткой).
Илы глинистые почти сплошным чехлом покрывают всю территорию рассматриваемого участка. Илы характеризуются низкими значениями плотности — среднее 1,63 г/см3, среднее значение коэффициента пористости 1,59, органического вещества 5,3%, а карбонатов 29,8%.
Методика расчёта устойчивости подводных склонов
Под одномерной понимается модель упругого полупространства бесконечная по горизонтали, ограниченная сверху поверхностью с постоянным наклоном и характеризующаяся однородным инженерно-геологическим строением, то есть сложенная одной разновидностью грунта. Правомерность этого допущения доказывается ниже.
Расчётные поверхности скольжения заключены в тех же отложениях, которыми сложены одномерные модели.
Так как рассматриваемые модели представляют собой склон бесконечной длины, для оценки его устойчивости представляется возможным рассматривать расчетное оползневое тело бесконечной протяжённости. Если рассматривать поверхность скольжения такого оползневого тела на отрезке длиной 1 м, то в его центральной части, поверхность скольжения можно считать плоской и параллельной поверхности рельефа.
При использовании компьютерной техники расчёт устойчивости фрагмента единичной длины не является трудоёмким и позволяет оценивать устойчивость с изменением значений отдельных параметров. Настоящий расчёт был выполнен при различных значениях крутизны модельного склона, мощности смещаемых отложений и параметрах дополнительных воздействий (сейсмичности и воздействия штормовых волн).
Значение минимальной мощности сползающих отложений на разрезах составляет 1 м, что обусловлено минимальными значениями мощностей отложений. Значение максимальной мощности составило 20 м, что соответствует значению мощности рыхлых отложений в области бровки континентального склона по данным сейсмического профилирования в пределах рассматриваемых районов на шельфе, примыкающем к Западному Кавказу. В целом расчёты устойчивости были выполнены при положении расчётной поверхности скольжения на глубинах 1, 2, 5, 10 и 20 м.
Значения наклонов поверхности модельных склонов лежат в диапазоне от среднего наклона шельфа (1) до максимального наклона поверхности в области бровки континентального склона (40).
В настоящей работе оценка устойчивости склонов была выполнена с привлечением методов предельного равновесия. Расчёты устойчивости по второй схеме были выполнены по методу GLE (general limit equilibrium - метод общего предельного равновесия) [Stability Modeling with Slope/W..., 2008], а расчёты по первой схеме проводились по методике подробно рассмотренной ниже.
Методика оценки устойчивости подводных склонов по первой схеме. В основе всех методов предельного равновесия лежит расчёт коэффициента устойчивости или запаса вдоль поверхности скольжения. В процессе расчёта оползневое тело делится на фрагменты, которые снизу ограничены поверхностью скольжения или сдвига, сверху ограничены дневной поверхностью, а справа и слева вертикальными плоскостями (или отрезками, в случае плоской задачи). Согласно «модели Кулона» фрагменты рассматриваются в виде монолитных твёрдых тел. Каждый фрагмент, за исключением первого и последнего граничит и взаимодействует с двумя соседними [Чугаев, 1964].
Все фрагменты находятся под действием ряда физических сил (рис. 3.1). Эти силы можно разделить на удерживающие и сдвигающие оползневое тело. Коэффициент устойчивости (Ку) представляет собой либо отношение суммы удерживающих оползневое тело сил (2 Fres) к сумме сил сдвигающих его (] Fmob), либо отношение сумм моментов этих сил (X Mres и 2 Мото/,соответственно) [Калинин, 2006]. В ряде методов используются оба выражения для расчёта коэффициента устойчивости.
Методика расчёта предполагала, что при значении Ку равном 1,2 склон находится в состоянии предельного равновесия [Шахунянц, 1987].
Классическим случаем при расчёте устойчивости склонов является решение задачи в плоском сечении, однако, возможно решение и с использованием трёхмерных моделей.
В случае решения задачи в плоском сечении в момент предельного равновесия должно выполняться основное условие статики [Калинин, 2006], которое заключается в том, что тело находится в равновесии только в том случае, если сумма проекций всех действующих на него сил на любую ось (горизонтальную -X FH или вертикальную; Fv) и сумма моментов ( М0) этих же сил относительно центра вращения равны нулю: SFH = 0;EFv, = 0;SM0 = 0. (2)
Все три условия не удовлетворяются ни в одном из методов, основанных на предельном равновесии, и это позволяет разделить их на три группы: (1) группа, которая удовлетворяет общему равновесию моментов; (2) группа, которая удовлетворяет общему равновесию сил; (3) группа, в которой удовлетворяется одно из условий с равновесием сил и равновесие моментов. В большинстве методов силы, действующие на оползневое тело, проецируются либо на горизонтальную ось, либо на ось, совпадающую с рассматриваемым участком наклонной поверхности скольжения [Калинин, 2006].
Все методы оценки устойчивости склонов основаны на том, что формирование оползня на склоне происходит в результате сдвига по поверхности скольжения в соответствии с теорией прочности Кулона-Мора. В момент предельного равновесия вдоль поверхности скольжения действует зависимость: s = a ff tg p + с , (3) где s- сопротивление грунта сдвигу, КПа; с - удельное сцепление (определённое в эффективных напряжениях), КПа; ц - эффективный угол внутреннего трения, град.; a ff -эффективное напряжение вдоль поверхности скольжения во время обрушения, КПа.
Как упоминалось выше, каждый фрагмент находится под действием ряда внешних сил. Каждый фрагмент находится под действием собственного веса (W). Так как в подводных условиях грунты находятся во взвешенном состоянии, при расчётах используется вес фрагмента массива грунта во взвешенном состоянии. BeличинaW может быть определена из следующего соотношения: W = pB3B-g-В-іім), (4) где рвзв - плотность взвешенного в воде грунта, кг/м , В - площадь фрагмента, м ; д -ускорение свободного падения, м/с2.
Возникает сила реакции опоры (N), величина которой неизвестна и в каждом методе определяется различными способами. При расчётах на одномерных моделях величина N определялась, как проекция W на ось, перпендикулярную поверхности скольжения: N = W- cosa, (5) где N - сила реакции опоры, W - вес фрагмента взвешенного в воде, а — наклон основания фрагмента.
Вдоль плоской поверхности скольжения также действуют силы трения и сцепления. Сила трения (Т) действует вдоль поверхности скольжения, направлена в сторону противоположную смещению оползня и определяется следующим образом: T=Ngq \ (6) где Т - сила трения, N - сила реакции опоры, р - эффективный угол внутреннего трения. Сила сцепления (С) также действует вдоль поверхности скольжения, направлена в сторону противоположную смещению оползня и может быть определена посредством следующего соотношения: С=с -(3 (7) где С - сила сцепления, с — удельное сцепление грунта, В — длина основания фрагмента расчётного оползневого тела.
Результаты оценки устойчивости подводных склонов с учётом воздействия штормовых волн
Согласно статистическим данным о факторах формирования подводных оползней, обнаруженных на дне Мирового океана, на воздействие от штормовых волн приходится порядка 5%, однако не стоит недооценивать этот вид воздействия. Мировой опыт строительства на шельфе показывает, что воздействие штормовых волн при глубинах моря менее 100 м может приводить к формированию подводных оползней и последующему разрушению сооружений нефтегазового комплекса [Prior, Coleman, 1982], что в свою очередь может приводить к негативным экологическим последствиям и экономическому ущербу. Необходимость учёта воздействия штормовых волн при проведении различного рода расчётов в акватории Чёрного моря также подтверждается разрушением грузового порта «Имеретинский» мощным штормом 14 декабря 2009 г.
Стоит обратить внимание, что оползни, обнаруженные в пределах района I, расположены во внутреннем шельфе и наиболее возможным фактором формирования этих оползней будет являться именно воздействия штормовых волн. Вследствие чего и была предпринята попытка проверить эту гипотезу. Для проведения расчётов были выдраны экстремальные характеристики волнения с периодами повторяемости 10 и 100 лет и обеспеченностью 0.1 и 50%.
Результаты оценки устойчивости подводных склонов для района I.
Расчёты устойчивости с учётом воздействия волн были выполнены для двух значений глубины моря 20 и 60 м, что ориентировочно соответствует минимальной и максимальной глубинам моря в пределах рассматриваемого района. Согласно литературным данным воздействие от штормовых волн оказывает влияние на устойчивость подводных склонов на глубинах менее 100 м., что вполне согласуется с выбранным диапазоном глубин для оценки воздействия экстремальных характеристик волнения.
Так как воздействие волн на морское дно приводит к росту порового давления в грунтах, расчёты устойчивости подводных склонов выполнялись для недренированных условий, а именно с параметрами прочности определёнными при полных напряжениях, а для глинистых грунтов также с недренированным сцеплением. Результаты расчёта с учётом воздействия волн для всех разновидностей грунтов, вскрытых скважинами и станциями опробования в пределах района I, представлены в таблице 5.4.
Илы глинистые. В расчётах с параметрами прочности в терминах полных напряжений, глубине воды 20 м и высоте волны как 7.2, так и 2.2 м развитие оползневых процессов на территории рассматриваемого района шельфа Чёрного моря в илах глинистых практически невозможно. При расчётах с недренированным сцеплением и высоте волны 7.2 м возможно формирование оползней с мощностями порядка 5 м.
При глубине воды 60 м и расчетах с параметрами прочности в полных напряжениях обрушение склонов шельфа Чёрного моря практически невозможно. В расчётах с недренированным сцеплением формирование оползней с поверхностью скольжения в илах глинистых возможно при высоте волны 13.6 м.
Илы суглинистые. Результаты расчетов выполненных для илов суглинистых практически совпадают с результатами, полученными для илов глинистых, рассмотренных выше.
Глины и суглинки текучепластичные. В расчётах с учётом воздействия волн с параметрами прочности в терминах эффективных напряжений при глубине воды 20 м и высоте волны как 7.2, так и 2.2 м формирование оползней на шельфе в глинах и суглинках текучепластичных невозможно. При расчётах с недренированным сцеплением и высоте волны 7.2 м возможно возникновение оползней с мощностями более 5 м. Волна высотой 2.2 м может инициировать оползневые тела мощностью порядка 20 м.
При глубине воды 60 м и параметрами прочности в полных напряжениях согласно расчётам обрушение склонов в рассматриваемых грунтах не происходит. В расчётах с недренированным сцеплением в глинах и суглинках текучепластичных возможно возникновение оползневых процессов при высоте волны 13.6 м.
Ракушечные грунты. Расчёты с учётом воздействия волн показали, что оползни, инициированные волновым воздействием, в ракушечных грунтах сформироваться не могут.
Пески гравелистые с ракушей. Расчёты показывают, что в пределах рассматриваемого района формирование оползней в песках гравелистых с ракушей вызванных воздействием волн практически невозможно.
Пески мелкие и пылеватые с ракушей. Расчеты, выполненные с учётом воздействия волн, показывают, что в области шельфа пески мелкие и пылеватые с ракушей залегают устойчиво. В области бровки континентального склона, а именно в области подводного каньона р. Шахе, формирование оползней возможно на участках с наклоном поверхности более 32.
Пески мелкие. Формирование оползней в песках мелких инициированных волновым воздействием в области шельфа практически невозможно. В области бровки континентального склона в рассматриваемых песках возможно формирование оползней вызванных воздействием волн при наклонах поверхности рельефа более 35.
Пески пылеватые. Расчёты с учётом воздействия волн показывают, что в области шельфа пески пылеватые находятся в устойчивом состоянии. В области бровки континентального склона формирование оползней возможно.
Супеси текучие. Архивные данные определения прочностных свойств для супесей текучих включали в себя только сцепление и угол внутреннего трения, определённые при эффективных напряжениях. В связи с чем, расчёты выполнялись с прочностными параметрами, определёнными в эффективных напряжениях.
При воздействии волн формирование оползней в рассматриваемых грунтах возможно только в области бровки континентального склона. В области шельфа супеси текучие сохраняют устойчивость даже при высоте волн 13.6 м.
Глины и суглинки мягко- и тугопластичные. Согласно расчётам, выполненным с учётом воздействия волн, глины и суглинки мягко- и тугопластичные могут потерять устойчивость, как в области шельфа, так и в области бровки континентального склона при положении поверхности скольжения на глубине более 5 м.
Результаты расчётов подводных склонов с учётом воздействия штормовых волн показывают, что в результате этого вида воздействия оползни могут формироваться как в области шельфа, так и в области бровки континентального склона преимущественно в илах и глинах текучей и текучепластичной консистенции только при высотах волн с обеспеченностью 0.1%. Формирование оползней инициированных воздействием штормовых волн в песчаных грунтах можно представить лишь на участках, где песчаные грунты залегают в континентального склона при глубине моря порядка 20 м. Такие условия могут быть встречены лишь на участках где верховья подводных каньонов расположены в зоне внутреннего шельфа, а именно в области верховьев каньона реки Шахе.
