СОВРЕМЕННЫЕ РАДИОИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА

Традиционные методы определения влажности и плотности грунтов с отбором из скважин и горных выработок образцов и последующим их анализом имеют ряд серьезных недостатков: большую трудоемкость отбора образцов, низкую производительность и сравнительно высокую себестоимость отбора проб и лабораторных анализов. Кроме того, им присущи трудно учитываемые погрешности из-за недостаточной объемной представительности образцов и несоответствия условий, в которых испытывают образцы, природным. В некоторых случаях качественный отбор образцов вообще невозможен, например, в рыхлых крупнообломочных, мерзлых и переувлажненных осадочных породах. Радиоизотопные методы лишены этих недостатков и позволяют изучать свойства горных пород непосредственно в условиях их естественного залегания.

Основой нейтронных методов изучения влажности пород является регистрация нейтронного или радиационного гамма-излучения, обусловленного взаимодействием быстрых нейтронов с ядрами атомов исследуемой среды. Доминирующий процесс взаимодействия быстрых нейтронов с породой - упругое рассеяние. При упругом столкновении с ядрами атомов нейтрон теряет свою кинетическую энергию, причем, чем легче рассеивающее ядро, тем больше потери энергии. Поэтому замедляющая способность воды за счет легких ядер водорода в сотни раз превышает замедляющую способность ядер кислорода, алюминия, кремния и других наиболее распространенных элементов, входящих в состав горных пород. В связи с тем, что вариации химического состава скелета породы в большинстве случаев не оказывают существенного влияния на его замедляющую способность, определяющим фактором замедления быстрых нейтронов является содержание воды в породе. Поэтому, если в породу или на ее поверхность поместить источник быстрых нейтронов и на некотором расстоянии от него детектор замедлившихся (надтепловых или тепловых) нейтронов или гамма-квантов, образующихся при радиационном захвате тепловых нейтронов, то их регистрируемая интенсивность будет однозначно связана с влажностью исследуемой среды.

Характер зависимости между интенсивностью регистрируемого излучения и влажностью среды определяется конструктивными особенностями измерительного преобразователя нейтронного влагомера, в первую очередь базовым расстоянием между источником и детектором излучения (длиной зонда L). Различают доинверсионные зонды, характеризующиеся максимально возможным сближением источника и детектора излучения, инверсионные - длиной зонда 15-25 см и заинверсионные - с длиной зонда более 30 см. При решении инженерно-геологических задач наибольшее распространение получили нейтронные влагомеры с доинверсионными зондами, обеспечивающие требуемую точность измерений при относительно низких активностях источников нейтронов.

Зависимость между интенсивностью рассеянного породой гамма-излучения и ее плотностью имеет инверсионный характер. С увеличением плотности интенсивность регистрируемого излучения с доинверсионными зондами возрастает, с заинверсионными - убывает. Точка инверсии, по данным различных исследователей, соответствует величине _кр · L = 1518 г/см², где _кр - критическая плотность, соответствующая точке перегиба, г/см³; L - длина зонда, см.

Наибольшее распространение в плотномерах получили заинверсионные зонды, обеспечивающие однозначную интерпретацию результатов измерений во всем диапазоне возможных значений плотности пород.

Для измерения плотности приповерхностного слоя пород на глубины до 1 м и образцов пород используют плотномеры, регистрирующие ослабление породой первичного излучения источника на пути до детекторов гамма-квантов. У таких приборов с увеличением плотности регистрируемое излучение уменьшается, как правило, по экспоненциальному закону, т.е. как и у заинверсионных зондов.

Опыт практического использования радиоизотопных методов для измерения влажности и плотности пород показал, что основные их достоинства сводятся к следующему:

- измерения можно проводить непосредственно в исследуемом массиве горной породы без нарушения ее естественного сложения и происходящих в ней процессов;

- результаты измерений характеризуются большей представительностью, т.к. свойства пород усредняются по объему, составляющему 0,05-0,20 м³;

- обеспечивается хорошая воспроизводимость результатов, так как измерения в заданной точке могут выполняться с произвольной повторяемостью;

- измерения можно проводить с любой детальностью, вплоть до получения непрерывных пространственных и временных распределений;

- в несколько раз повышается производительность измерений;

- резко снижаются затраты ручного труда и объемы аналитических работ;

- отпадает необходимость в консервации, транспортировке и хранении проб.

Основные технико-эксплуатационные характеристики отечественных и некоторых зарубежных радиоизотопных влагоплотномеров приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1
Основные технико-эксплуатационные характеристики радиоизотопных влагоплотномеров

Наименование и тип прибора	Диапазон измерения		Основная погрешность измерения (не более), кг/м3		Время измерения (не более), с		Активность радиоактивных источников		Предельная глубина измерений, м	Диаметр скважинного измерительного преобразователя, мм	Общая масса основных блоков, кг
	объемной влажности W·10-2, кг/м3	плотности, ·10-2, кг/м3	объемной влажности	плотности	объемной влажности	плотности	нейтронов, нейтр/с	гамма- квантов, Бк·107
Радиоизотопный влагоплотномер УР-70	0,3-10	12-27	15	30	60	40	105	4,9	25	45	30
Радиоизотопный влагоплотномер РИП-202	0,3-10	12-27	15	30	100	40	5х104	4,9	25	45	25
Поверхностно-глубинный влагомер ВПГР-1	0,2-10	-	15	-	100	-	5х104	-	30	36	17
Поверхностно-глубинный плотномер ППГР-1	-	12-23	-	40	-	100	-	1,0	30	35	19
Глубинный радиоизотопн. плотномер РПГ-36	-	12-23	-	50	-	60	-	2,5	20	36	26
Глубинный радиоизотопн. влагомер РВГ-36	0,3-10	-	15	-	60	-	105	-	20	36	25
Совмещенный радиоизотопн. влагоплотномер СРПВГ	0,3-10	12-23	15	40	60	60	105	2,5	20	35	-
Поверхностный влагоплотномер РВПП-1	0,3-3	10-25	10	50	100	100	5х104	7,4	0,3	-	19,5
Плотномер радиоизотопн. переносной РПП-2	-	10-25	-	50	-	100	-	2,5	0,3	-	16,6
Влагоплотномер фирмы Nuclear Enterprises (Великобритания)	0,3-10	12-23	15	40	30	180	7,5х104	2,2	-	38	39,7
Влагоплотномер фирмы Troxler Electronics (США)	0,3-10	10-25	15	20	60	60	2,5х104	11,1	-	38	22,5

Прибор УР-70 и его усовершенствованная модификация РИП-202 укомплектованы двумя зондами для раздельного измерения влажности и плотности. Кроме того, защитно-градуировочные контейнеры этих приборов обеспечивают проверку и в случае необходимости корректирование градуировочных зависимостей путем создания в защитно-градуировочном контейнере определенных потоков нейтронного и гамма-излучения на соответствующие детекторы измерительных преобразователей. Особенностью приборов ВПГР-1 и ППГР-1 является то, что в них конструктивно предусмотрена возможность измерения влажности и плотности грунтов в приповерхностном слое до глубины 0,3 м. Наличие специальных переходников в приборах РВГ-36 и РПГ-36 позволяет проводить измерения зондами разной длины. Влагоплотномер СРПВГ обеспечивает одновременные измерения влажности и плотности горных пород за счет совмещения в скважинном зонде двух измерительных преобразователей. Поверхностный влагоплотномер РВПП-1, в котором для регистрации нейтронов и гамма-квантов используется монокристалл йодистого лития, обогащенного изотопом литий-6 и активированного европием, также позволяет измерять влажность и плотность грунтов.

Приведенные в табл. 3.1 зарубежные влагоплотномеры не имеют принципиальных отличий от отечественных аналогов.

В последние годы разрабатываются совмещенные радиоизотопные влагоплотномеры с выводом информации в единицах измеряемых параметров и автоматическим учетом влияния на показания ряда мешающих факторов.
3. Метрологическое обеспечение РИП [144]
Метрологическое обеспечение радиоизотопных измерений влажности и плотности горных пород включает в себя следующее:

- выбор и обоснование номенклатуры нормируемых метрологических характеристик;

- разработку образцовых мер, воспроизводящих размеры измеряемых величин;

- разработку образцовых средств измерений и методик их аттестации;

- разработку поверочных схем для определения системы передачи размера единиц влажности и плотности от образцовых средств измерений к рабочим влагоплотномерам;

- разработку методик поверки влагоплотномеров и проведения с их помощью измерений;

- строгое соблюдение этих методик при проведении измерений.

Градуировка РИП является важнейшей операцией, определяющей качество и достоверность получаемой в результате измерений информации. Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие способы градуировки:

- полевая градуировка в естественных условиях;

- лабораторная градуировка с использованием модельных сред известной влажности и плотности;

- градуировка с использованием эквивалентов влажности и плотности горных пород.

Полевая градуировка заключается в установлении зависимости между показаниями РИП при измерениях в условиях естественного залегания пород и значениями влажности и плотности этих же пород, полученными в результате отбора проб. Для этих целей на основе имеющейся информации или предварительного опробования выбирают участки, где предполагается встретить породы определенного литологического типа с требуемыми значениями влажности и плотности.

На выбранной площадке закладывают скважину, конструкция и оборудование которой идентичны конструкции скважины, используемой для радиоизотопных измерений влажности и плотности. Однородность участка по глубине оценивают по результатам измерения распределения интенсивности рассеянного нейтронного и гамма-излучения по скважине. На основе этих измерений выбирают интервалы по глубине не менее 0,5 м, в пределах которых интенсивность регистрируемого излучения составляет ~±5%. В середине каждого из выбранных горизонтов регистрируют показания прибора с заданной повторяемостью (как правило, не менее 5 раз). После измерений в непосредственной близости от скважины или вокруг нее отрывают шурф, по мере проходки которого из каждого выбранного горизонта отбирают пробы для определения влажности и плотности при помощи режущих колец. Для обеспечения эквивалентности показаний полевых радиоизотопных и лабораторных методов определения влажности и плотности пород число проб из каждого горизонта должно быть не менее 10, причем пробы отбирают из объема, соответствующего глубинности измерений данным прибором.

Для построения градуировочной зависимости используют не менее 5 значений влажности и плотности, равномерно перекрывающих требуемые диапазоны измерений. При этом погрешности определения лабораторными методами влажности и плотности сред, используемых для градуировки, должны быть по крайней мере в 3 раза меньше погрешности радиоизотопных измерений. Данный способ градуировки является весьма трудоемким из-за необходимости проходки шурфов, отбора проб и проведения большого числа анализов.

Лабораторную градуировку проводят с помощью образцовых мер (стандартных образцов) с известными значениями влажности и плотности и изготовленных в виде емкостей правильной (как правило, цилиндрической) формы с жесткими стенками, заполненных определенными материалами. Основные требования, предъявляемые к образцовым мерам, следующие:

1) макроскопические сечения и рассеяния, и поглощения нейтронов, и эффективные атомные номера материалов, используемые для приготовления стандартных образцов, должны быть близкими к сечениям для исследуемых горных пород;

2) размеры стандартных образцов должны обеспечивать условия, соответствующие измерениям в бесконечной среде;

3) комплект должен состоять не менее, чем из пяти стандартных образцов;

4) погрешность определения номинального значения свойства каждого образца не должна превышать заданную величину, устанавливаемую с учетом допустимых погрешностей радиоизотопных измерений этого свойства;

5) неоднородность по влажности и плотности в пределах стандартного образца не должна вносить при градуировке дополнительную погрешность, превышающую заданную величину;

6) стандартные образцы не должны изменять свои свойства в течение срока их эксплуатации.

Геометрические размеры модельных сред выбирают из условий

где H - высота модели; L - длина зонда; h - глубинность исследования, т.е. толщина рассеянной среды, из которой поступает на детектор 90% излучения относительно бесконечной среды; D - диаметр модели, d - внешний диаметр обсадной трубы.

В качестве материалов-заполнителей используют горные породы определенного химического и минерального составов, а также искусственные смеси, содержащие в определенных сочетаниях песок, глину и другие вещества с различной степенью увлажнения [144]. Число модельных сред с определенными значениями влажности и плотности, перекрывающими требуемый диапазон возможных изменений этих свойств, зависит от характера градуировочной зависимости и должно быть, как правило, не менее пяти. Использование стандартных образцов, изготовленных из материалов, близких по своему составу к горным породам, обеспечивает наиболее корректную с метрологической точки зрения градуировку РИП. Достоинством стандартных образцов является и то, что при обеспечении сохранности их свойств во времени они могут использоваться для градуировки многократно. Их недостатком является громоздкость и большая масса (~200 кг), а также трудоемкость изготовления, что ограничивает их использование. Поэтому стандартные образцы в первую очередь рекомендуется использовать в базовой геотехнической лаборатории для градуировки образцового прибора-компаратора и последующей калибровки эквивалентных мер для установления градуировочных характеристик РИП и контроля правильности результатов при выполнении особо точных и арбитражных измерений.

Для градуировки и проверки рабочих влагоплотномеров наиболее целесообразно использовать эквиваленты влажности и плотности горных пород, т.е. специальные устройства, позволяющие воспроизводить эффекты взаимодействия измерительных преобразователей РИП с горными породами. Устройства такого рода обеспечивают потоки нейтронного и гамма-излучения, соответствующие заданным значениям влажности и плотности. В основе устройств лежат следующие принципы:

а) введение поглотителей гамма-квантов и нейтронов различной толщины или плотности в пространстве между источником и детектором излучения;

б) изменение толщины рассеивающего слоя в пределах объема, из которого поступает радиоизотопная информация;

в) изменение расстояния между измерительным преобразователем влагоплотномера и рассеивающей средой;

г) введение специальных поглотителей нейтронов и гамма-квантов в рассеивающую среду;

д) изменение длины зонда;

е) использование источников излучения различной активности.

Пример такой градуировки приведен на рис. 3.2. Первоначально при помощи отградуированного независимым способом (например, стандартных образцов) влагоплотномера устанавливают соответствие между показаниями прибора I_i (i = 1, 2, ..., 6), полученными в этом устройстве, и эквивалентными значениями _i измеряемой характеристики. После этого устройство можно использовать как для градуировки других влагоплотномеров, так и для оперативного контроля сохранности полученных ранее градуировочных зависимостей. Новую градуировочную зависимость получают на основе показаний I_i градуируемого прибора в данном устройстве и полученных ранее эквивалентных значений измеряемой характеристики _i (рис. 3.2, б). Опыт показывает, что такой способ градуировки является в настоящее время наиболее простым и доступным. Важным достоинством эквивалентных мер является и то, что они позволяют проводить оперативный контроль градуировочных характеристик влагоплотномеров непосредственно в полевых условиях при минимальных затратах времени.

Рис. 3.2. Пример градуировки радиоизотопных влагоплотномеров при помощи эквивалентов

влажности и плотности. Градуировочный график, полученный на стандартных образцах (а)

и на эквивалентах (б)

I_i - интенсивность регистрируемого излучения для i-го (i = 1, 2, 3, ...) значения параметра p_i.