1.1.8 Неглубокое интерпретационное бурение

Для подтверждения геофизических данных в пределах заложенных профилей георадиолокации, а также в целях исследования деталей верхней части геологического разреза на аварийном участке южного берега Финского залива (57 км шоссе) было проведено бурение при помощи бензобура STIHL ВТ 121 совместно со шнековым почвенным буром и двумя удлинителями штока (рисунок 1.8). Средняя глубина скважин диаметром 12 см составляла около 2 м. На подготовительном этапе снимался верхний слой почвы размером 40х40 см и глубиной 30 -40 см. Бурение осуществлялось поэтапно на глубины от 30 до 60 см. Образцы грунтов отбирались со шнека бура.

Рисунок 1.8 – бурение кос в районе пос.Большая Ижора

1.2 Гидрологические и гидрофизические исследования

С целью изучения гидродинамических процессов и гидрометеорологических факторов, контролирующих развитие и периодическую активизацию абразионных процессов в пределах выбранных ключевых участков на северном побережье Самбийского полуострова (Калининградская область) и южном побережье восточной части Финского залива (пос. Лебяжье-Большая Ижора) проведены полевые исследования с применением мобильного аппаратного комплекса мониторинга, состоящего из следующих приборов:

Стандартные приборы:

- мультипараметрический зонд (МЗ) Idronaut OS 316⁺, оснащенный датчиками температуры, электропроводности, давления (глубины), кислорода, pH, Eh, мутности и флуоресценции хлорофилла (далее мультизонд);

- акустический доплеровский профилограф скорости течения (АДПС) RDI ADCP – 600 “RioGrande” (далее – профилограф скорости).

Нестандартные приборы

- инклинометрический измеритель скорости потока (ИИСП) - измеритель вектора скорости придонных течений, оснащенный датчиками угла и направления отклонения тяжелой сферы, подвешенной на штанге, от вертикали.

- волнограф (ВГ), оснащенный датчиками давления и наклона, измеряющими колебания высоты столба воды над заглубленным прибором, а также величину и направление горизонтальных смещений прибора для оценки направления распространения волн;

С помощью стандартных приборов выполнялись съемки полей течений и гидрологических параметров в пределах ключевых районов методом буксировки профилографа скорости, прекращаемой на короткие промежутки времени для выполнения вертикального зондирования в дрейфе или непрерывной, если зондирования проводились во время постановки донных станций.

Стандартная комплектация профилографа скорости [1] не содержит буксируемого носителя, который можно было бы использовать на маломерных катерах и лодках. Использовался носитель оригинальной конструкции АО ИОРАН (рисунки 1.9, 1.10). Его особенность состоит в следующем: а) носитель имеет положительную плавучесть, что дает возможность прерывать буксировку, не выбирая прибора на борт; во время буксировки носитель заглубляется на глубину около 0.5 м, т.е. настолько, чтобы он не выскакивал на поверхность при волнении и двигался стабильно, для чего используются свинцовые груза, укрепленные на буксирном кабеле перед буксируемым телом; б) носитель буксируется с отведением вбок, что обеспечивается асимметричной шпрюйтовкой и уплощенной формой тела, при этом носитель движется вне кильватерной струи и спутного течения и устойчив по углам крена и дифферента. Вес носителя не превышает 40 кг, что позволяет работать с ним без использования грузоподъемной техники.

Стандартная комплектация мультизонда [2] не предусматривает удара о грунт при завершении зондирования, который неизбежен, если ставится задача зондирования от поверхности до дна, как в нашем случае, а также не содержит устройств для регулирования и стабилизации скорости погружения с целью максимально точного отображения тонкой структуры исследуемых полей.

Указанные трудности были преодолены с помощью усовершенствования корпуса прибора, разработанного в АО ИОРАН, заключающегося в следующем (рисунки 1.11, 1.12): зонд помещен в тубус, на нижнем конце которого имеется противоударное устройство в виде кольца с туго натянутой сеткой, вынесенное относительно датчиков на 5-10 см, а на верхнем конце имеется пластинчатый парашют, раскрывающийся при падении зонда и складывающийся при выборке; площадь пластин, изготовленных из тонкого винипласта, подобрана с таким расчетом, чтобы скорость свободного падения была в пределах 40-60 см/с. Для выборки зонда используется тонкий фал, который не препятствует свободному падению, т.к. вытравливается с опережающей скоростью.

Рисунок 1.9 – Носитель-отводитель для профилографа скорости (виды сбоку и сверху): 1 – хвостовой стабилизатор, 2 – корпус с оболочкой из стеклопластика, закладкой из пенопласта и креплением для прибора, 3 – прибор, 4 – асимметричная шпрюйтовка, 5 – кабель-трос, 6 – свинцовый груз.

Рисунок 1.10 - Буксировка профилографа скорости с использованием носителя-отводителя (см. рис.1.9) с катера «Барракуда». Скорость хода – 6 узлов, заглубление - 0.5 м.

Рисунок 1.11 – Мультизонд Idronaut OS 316+, приспособленный для измерений в режиме свободного падения с касанием грунта.

Рисунок 1.12 - Мультизонд Idronaut OS 316+. Начало свободного падения, пластины парашюта раскрыты.

С помощью нестандартных приборов исследовалось движение воды в придонном слое, индуцированное волнением и течением, а также интенсивность волнения. Особенность поставленной задачи состояла в том, чтобы проводить синхронные измерения в большом числе точек, что исключало возможность использования дорогостоящей покупной аппаратуры, работоспособной в воде с большой концентрацией взвеси, что характерно для волноприбойной зоны. В таких условиях из экономически доступных приборов работоспособны только инклинометрические приборы, измеряющие отклонение подвешенного цилиндра с положительной плавучестью от вертикальной оси под воздействием силы гидродинамического напора [3].

Для выяснения пригодности указанных приборов сначала были приобретены 2 экземпляра и испытаны в натурных условиях и в тарировочном бассейне. Впечатление от натурных испытаний на малой глубине при умеренном волнении было благоприятным, однако бассейновые испытания выявили наличия значительной зашумленности сигнала как от вертикальных, так и поперечных автоколебаний, связанных с тем, что корпус прибора имеет цилиндрическую форму. Вертикальные колебания возникают от того, что при наклоне цилиндра меняется площадь его лобового сечения пропорционально косинусу угла отклонения. Поперечные колебания обусловлены срывом вихрей и образованием кармановской дорожки. Чтобы избавиться от зависимости лобового сечения от угла наклона, была проведена доработка прибора - инклинометрический датчик был перемонтирован в тело сферической формы.

Результат оказался положительным. При этом, чтобы снять ограничения на глубину погружения, вместо плавучей сферы была использована негерметичная сферическая оболочка, внутрь которой помещался небольшой цилиндрический контейнер с регулируемым грузом в виде свинцовой ленты, обернутой вокруг цилиндра. Бассейновые испытания показали удовлетворительные качества усовершенствованного инклинометра собственного изготовления, и для пробных натурных исследований была изготовлена экспериментальная партия инклинометров, оснащенных не только акселерометрами, измеряющими составляющие ускорения силы тяжести по 3-м осям, но и 3-компонентный магнитный зонд, определяющий направление отклонения сферы в потоке.

Сигналы датчиков регистрировались автономно с частотой 10 цикл/сна съемную карту памяти, расположенную вместе с датчиками, а блок питания, рассчитанный на продолжительную (порядка месяца) работу датчика, находился во втором, неподвижном контейнере, соединенном с первым отрезком тонкого кабеля. Во избежание избыточности информации, продолжительность непрерывной записи ограничивалась 20 мин, после чего следовала 40-минутная пауза. Начало записи программировалось единообразно для всех приборов на начало каждого часа.

В качестве негерметических оболочек для модулей с датчиками использовались оболочки двух типов: без сквозных отверстий (имелся зазор между оболочкой и цилиндром в верхней части сферы) и со сквозными круглыми отверстиями. Проведенные натурные испытания выявили важный недостаток сплошных, но негерметичных оболочек, заключающийся в том, что через кольцевой зазор в верхней части оболочки они ловят и накапливают взмученный песок в недопустимо больших количествах, меняющих зависимость величины отклонения от скорости потока. В перфорированных оболочках песок не накапливался. В результате эксперимента было принято решение использовать перфорированные сферические оболочки.

Одновременно была предпринята попытка подавить поперечные автоколебания сфер в потоке, связанные со срывом вихрей. Хотя эти относительно высокочастотные колебания легко определяются и отфильтровываются при обработке, они сильно затрудняют анализ. Мерой предотвращения срыва вихрей при обтекании была более сильная перфорация, выполненная в виде равномерно распределенных по поверхности сферы 16 круглых отверстий диаметром, равным приблизительно половине радиуса сферы (рисунок 1.13). Бассейновые испытания показали эффективность этой модернизации (рисунок 1.14).

Рисунок 1.13 - Различные варианты сферических оболочек корпуса инклинометрического датчика скорости придонных течений (цилиндр зеленого цвета). Наилучшие характеристики продемонстрировал вариант сферы с большими отверстиями (справа).

Рисунок 1.14 – результат градуировки инклинометрического датчика в бассейне при движении тележки со скоростями 0.2, 0.4, 0.6 и 0.8 м/с. Эллипсами помечены участки записи при указанных скоростях, а также при отсутствии движения.

Для измерения волнения использовался известный способ измерения колебаний уровня свободной поверхности относительно дна, который можно было реализовать в мелководных районах. Сигнал, пропорциональный высоте столба воды над прибором измеряется стандартным датчиком гидростатического давления типа Д-1.6 с минимальным верхним пределом, что обеспечивает ему достаточную чувствительность. Согласно теории, датчик давления достаточно точно воспроизводит профиль волны, если он располагается на глубине, равной одной четверти длины волны [4]

Предшествующий опыт использования приборов подобного типа на Балтике (Амбросимов, ИОРАН, персональное сообщение) дает рекомендацию располагать волнограф на глубине 7-10 м, что было принято нами во внимание вместе с рекомендациями по обработке первичных данных. Для использования в рамках проекта был сконструирован волнограф с датчиком давления, дополнительно оснащенный векторными датчиками величины и направления наклона (инклинометр и магнитный зонд), что дает возможность определять интенсивность волнения (качественно по первичным данным и более точно по специальной программе), а также направление колебаний в вертикальной плоскости, соответствующее направлению распространения доминирующих волн. Устройство измерительного модуля волнографа представлено на рисунке 1.15.

Все узлы, включая датчики, схему управления с таймером, регистратор данных и батарею электропитания, размещены в одном пластмассовом корпусе, имеющем положительную плавучесть.

	1 – поплавок, 2 – волнограф, 3 – буйреп, 4 – якорный груз
Рисунок 1.15 - Схема постановки волнографа.

При проведении натурных исследований использовалась следующая компоновка приборов. Инклинометры располагались внутри каркаса, показанного на рисунке 1.16, изготовленного из упругих пластмассовых труб. Сфера подвешена к перекрестию дуг, расположенному на расстоянии около 50 см от дна, при этом высота расположения сферы над дном составляло около 10 см. Сфера подвешена на гибком кабеле, что позволяет ей отклоняться в любом направлении, а чтобы исключить крутильные колебания и предотвратить отклонение оси сферы от линии подвеса, в крышку сферы вмонтированы два жестких стержня, скрепленных с кабелем на расстоянии около 10 мм от точки подвеса. Дуги соединяются с горизонтальным кольцом, служащим опорой всей конструкции. Для придания устойчивости на дне в точках соединения имеются 4 свинцовых груза по 2,5 кг.

Рисунок 1.16 - Расположения инклинометров в каркасе. Вверху испытания в реке с сильным течением, внизу – инклинометры в «компактной упаковке» на катере «Неман». Кроме инклинометров, на каркасе укреплены седиментационные ловушки.

Прибор ставится на дно, и для его подъема используется укладываемый на дно фал (грунтроп) длиной около 30 м с 25-кг грузом на конце. Сигнальные буйки, облегчающие поиск донных станций, не ставятся во избежание мародерства. Успешность поиска всецело зависит от точности определения координат расположения прибора и груза на конце грунтропа. Постановка производится в следующем порядке: на вспомогательном конце, пропущенном в перекрестие дуг, прибор в правильной ориентации опускается на грунт в этот момент фиксируются координаты прибора), после чего вспомогательный конец выбирается на борт, а грунтроп по мере дрейфа по ветру выпускается на дно, и груз на вспомогательном конце опускается на дно (в этот момент определяются координаты груза).

При выборке используется «кошка», протягиваемая посредине линии расположения грунтропа, для чего используется электронный планшет с метками точек расположения приборов и грузов. В зависимости от маневренности имеющихся плавсредств, используется или катер, с которого производилась постановка, или надувная лодка с мотором. Эта работа требует определенных навыков, но при хорошей погоде она достаточно проста. Потерь приборов по причинам отсутствия сигнальных буйком не было. Основной причиной возможных потерь является мародерство, что подтверждено при снятии волнографа в Светлогорской бухте: там прибор был поднят грабителем, грунтроп обрезан, но прибор оставлен на месте, и после ряда безуспешных попыток траления он был нами обнаружен и поднят с помощью ТПА «Гном», что и позволило восстановить его историю.

Волнографы снаряжаются по схеме, представленной на рисунке 1.15. Поскольку при погружении, благодаря положительной плавучести прибора и прикрепленного к нему поплавка, он имеет надлежащую ориентацию, он опускается на дно на грунтропе, и в момент касания фиксируется первая точка. Затем травится и вытягивается вдоль дна грунтроп, груз которого провожается на дно на вспомогательном конце, при этом определяются координаты второй точки. На Финском заливе, где было больше инклинометров, волнографы поставлены в парах с инклинометрами, что позволяет в точках измерения волнения получать также данные о придонных течениях.