RU2730003C1

RU2730003C1 - Method of determining physical and mechanical and morphometric characteristics of ice hummock formations

Info

Publication number: RU2730003C1
Application number: RU2019133637A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Бородкин; Роман Борисович Гузенко; Сергей Михайлович Ковалёв; Андрей Сергеевич Парамзин; Виктор Сергеевич Порубаев; Виктор Витальевич Харитонов; Степан Викторович Хотченков; Александр Иванович Шушлебин
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-08-14

Abstract

FIELD: vessels and other watercrafts.SUBSTANCE: invention relates to glaciology and ice-technical equipment and can be used for determination of internal structure, distribution of strength, temperature, salinity and density of ice in hummocks and stamukhas, and also allows to estimate the size of both the entire hummocked formation and its parts - sail, consolidated layer and unconsolidated keel part. Internal structure of ice formation (boundaries of ice layers of different density, boundaries and thickness of consolidated layer, porosity) is determined by means of thermal drilling with water or electric drilling device based on a given profile grid; physical and mechanical characteristics of ice in ice hummocked formations are determined on the selected cores at specific points chosen during thermal boiling. At that, local strength of ice is determined by means of probe-indenter in wells obtained during sampling of cores for sail, consolidated layer and unconsolidated part of keel. Determination of sail size of hummocks and stamukhas is performed by multi-rotor drone, equipped photocamera and video camera, and determination of coordinates and height of the sail is carried out in nodal points of the grid of profiles using a satellite geodetic device based on global navigation system GLONASS/GPS or is provided by means of tacheometric survey in mesh points of the grid of profiles with reference to sea level. Determining the size of the keel hummocks and the stamukhas is carried out with the profiling sonar side view, which is lowered into the underwater position through the lanes, cut in the flat ice around the hummock or stamukhas, and visual refinement of operation of the sonar is carried out using a remote-controlled underwater vehicle with a high-resolution photo and video camera, which is lowered into the same lanes as the sonar.EFFECT: technical result is higher accuracy and information value of obtained data of physical-mechanical and morphometric characteristics of ice hummocked formations and stamukhas.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерениям, а более конкретно, связано с применением устройств для определению силы, напряжения, толщины и является способом для определения физико-механических и морфометрических характеристик ледовых торосистых образований (торосы и стамухи), таких как размер, внутреннее строение, распределение прочности, температуры, солености и плотности льда в торосах и стамухах. Такие данные могут быть использованы при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений с целью их безопасной эксплуатации на шельфе замерзающих морей и для решения задач ледового плавания.The invention relates to measurements, and more specifically, is associated with the use of devices for determining the force, stress, thickness and is a method for determining the physicomechanical and morphometric characteristics of ice hummocks (hummocks and stamukha), such as size, internal structure, strength distribution, temperature, salinity and density of ice in hummocks and stamukhas. Such data can be used in the design and construction of hydraulic structures for the purpose of their safe operation on the shelf of freezing seas and for solving problems of ice navigation.

Известен способ определения структуры торосов и стамух, в том числе толщины ледовых образований в точках бурения, которое производится водяным термобуровым снарядом при подаче в него горячей воды или снарядом с электронагревательной коронкой /1/. Строение торосов и стамух определяется по скорости проходки термобурового снаряда, а распределение толщин торосистых образований фиксируется по результатам бурения в узловых точках равномерной сетки, которая разбивается на поверхности торосов или стамух с заданным шагом.A known method for determining the structure of hummocks and stamukhas, including the thickness of ice formations at the points of drilling, which is produced by a water thermal drill when hot water is supplied to it or a projectile with an electric heating crown / 1 /. The structure of hummocks and stamukhas is determined by the rate of penetration of a thermo-drilling projectile, and the distribution of the thickness of hummocked formations is recorded based on the results of drilling at the nodal points of a uniform grid, which is broken on the surface of hummocks or stamukhas with a given step.

Недостатком указанного способа является невозможность получения физико-механических характеристик торосистых образований по изменению скорости движения бурового снаряда. Кроме того дискретное измерение размеров торосистых образований не дает необходимой точности оценки их объема и массы, связанное с некоторым завышением размеров паруса и существенным уменьшением размеров киля, вызванным, как правило, с природным смещением киля относительно паруса торосов.The disadvantage of this method is the impossibility of obtaining the physical and mechanical characteristics of hummocky formations by changing the speed of the drill. In addition, the discrete measurement of the size of hummock formations does not provide the necessary accuracy in estimating their volume and mass, associated with some overestimation of the sail size and a significant decrease in the size of the keel, caused, as a rule, with the natural displacement of the keel relative to the hummock sail.

Известен, принятый за прототип, способ определения характеристик прочности ровного льда и ледовых образований в натурных условиях при внедрении индентора с помощью гидроцилиндра в стенку скважины при его распирающем воздействии с одной стороны и ограничении перемещения гидроцилиндра при помощи опорной плиты с противоположной от индентора стороны (зонд-индентор) /2/.It is known, taken as a prototype, a method for determining the strength characteristics of even ice and ice formations under natural conditions when the indenter is introduced with a hydraulic cylinder into the borehole wall with its expanding action from one side and the movement of the hydraulic cylinder is limited by means of a base plate on the side opposite to the indenter (probe indenter) / 2 /.

Недостатком указанного способа является также невозможность определения плотностных границ в торосах и стамухах вследствие больших размеров индентора и образования значительной зоны разрушения льда при внедрении индентора в стенку скважины, что вызывает необходимость проводить испытания по глубине скважины с шагом, в несколько раз превышающим размер индентора. При этом шнековое бурение является трудоемким процессом и не обеспечивает необходимой точности оценки вертикальных размеров тороса или стамухи.The disadvantage of this method is also the impossibility of determining the density boundaries in hummocks and stamukhas due to the large size of the indenter and the formation of a significant zone of ice destruction when the indenter is introduced into the borehole wall, which necessitates testing along the borehole depth with a step several times larger than the indenter size. At the same time, auger drilling is a laborious process and does not provide the necessary accuracy in assessing the vertical dimensions of a hummock or stamukha.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в определении физико-механических и морфометрических характеристик торосов и стамух. Указанный технический результат достигается путем действий, связанных с применением термобурения для определения внутреннего строения торосистых образований, зонд-индентора для определения прочностных характеристик ледовых образований в скважинах, тахеометрической съемки верхней поверхности торосов и стамух с целью координатной привязки реперных точек, нанесенных на торосистые образования, объемных съемок верхней поверхности ледяного образования (паруса) при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и подводной части (киля) ледяного образования при помощи профилирующего гидролокатора. Для этого на поверхности тороса перпендикулярно и параллельно гребню размечаются секущие профили с заданным шагом, которые начинаются и заканчиваются на ровных участках ледяного покрова. В узлах такой сетки проводят бурение при помощи водяного термобура или электротермобура (в зависимости от решаемых задач) с записью на компьютер (логгер). В результате по записи бурения определяют характеристики внутренней структуры в скважине для паруса и киля, включая границы слоев льда различной плотности, границы и толщину консолидированного слоя, пористость, а также общую протяженность скважины тороса до воды или до донного грунта в случае стамухи и распределение этих значений по площади тороса или стамухи. По результатам бурения выявляют на качественном уровне наиболее характерные или максимальные по толщине области консолидированного слоя, паруса и не консолидированной части киля. В каждой из таких точек для получения физико-механических характеристик льда производят следующие действия. При помощи керноотборника выбуривают скважину для проведения испытаний прочности льда в горизонтальной плоскости зонд-индентором /3/. Далее для проведения испытаний прочностных характеристик в парусе до верхней границы консолидированного слоя и киле тороса от нижней границы консолидированного слоя (не консолидированная часть киля) на гидроцилиндр зонда устанавливается индентор в виде сегмента цилиндра, по размерам совпадающий с размерами опорной плиты. В этом случае испытания проводятся с нагружением стенки скважины в обоих направлениях. Размер индентора обеспечивает необходимое нагружение в среде, сформированной из обломков льда, а меньшая прочность такой среды по сравнению с ровным льдом и с консолидированной частью тороса позволяет определить ее прочностные характеристики при низких значениях напряжения внедрения и уменьшенной величине внедрения. Для проведения испытаний прочности льда в консолидированном слое зонд-индентор извлекается из скважины, вместо индентора в виде сегмента цилиндра, совпадающего по площади с опорной плитой, устанавливают индентор на порядок меньше площади опорной плиты. Далее зонд-индентор опускают в скважину до уровня консолидированного слоя и проводят испытания прочности льда с внедрением индентора в стенку скважины относительно опорной плиты. В зависимости от толщины консолидированного слоя проводят несколько испытаний, опуская зонд в скважину. Выбуренный керн помещают в термочехол. В керне непосредственно через термочехол по всей его длине с заданным шагом просверливают отверстия до середины керна, в отверстия последовательно вводят термощуп электронного термометра и производят измерения температуры льда. Таким образом определяют распределение температуры льда по всей толщине ледяного образования. Далее керн извлекают из термочехла, визуально описывают его текстуру и разрезают на образцы в виде дисков толщиной около 20 мм, исключая слои, в которых были просверлены отверстия под термощуп электронного термометра. Образцы в виде дисков, по мере их изготовления, помещают в полевую испытательную машину (ПИМ-200) /4/ и проводят испытания прочности при центральном изгибе. При этом испытания прочности при центральном изгибе образцов льда в виде дисков проводят последовательно для паруса до верхней границы консолидированного слоя, для консолидированного слоя и неконсолидированной части киля торосистых образований. Кроме того, после каждого испытания разрушенные диски помещают в герметичные контейнеры, в которых лед расплавляется и выдерживается до комнатной температуры. Затем проводят измерение проводимости жидкости кондуктометром и по номограмме переводят в соленость льда /3/. На основании таких измерений получают распределение солености льда по толщине ледяных образований для паруса, консолидированного слоя и киля.The technical result of the proposed invention is to determine the physical, mechanical and morphometric characteristics of hummocks and stamukhas. The specified technical result is achieved by actions associated with the use of thermal drilling to determine the internal structure of hummocky formations, an indenter probe for determining the strength characteristics of ice formations in wells, tacheometric survey of the upper surface of hummocks and stamukhas in order to coordinate reference points applied to hummocky formations, volumetric surveying the upper surface of the ice formation (sail) using an unmanned aerial vehicle (UAV) and the underwater part (keel) of the ice formation using a profiling sonar. To do this, on the surface of the hummock perpendicularly and parallel to the ridge, intersecting profiles with a given step are marked, which begin and end on flat areas of the ice cover. At the nodes of such a grid, drilling is carried out using a water thermal drill or an electric thermal drill (depending on the tasks to be solved) with recording on a computer (logger). As a result, according to the drilling record, the characteristics of the internal structure in the borehole for the sail and keel are determined, including the boundaries of ice layers of different density, the boundaries and thickness of the consolidated layer, porosity, as well as the total length of the hummock borehole to the water or to the bottom soil in case of stamukha and the distribution of these values over the area of a hummock or stamukha. Based on the drilling results, the most characteristic or maximum thickness areas of the consolidated layer, sail and non-consolidated part of the keel are identified at a qualitative level. At each of these points, the following actions are performed to obtain the physical and mechanical characteristics of ice. A well is drilled with the help of a core sampler to test the ice strength in the horizontal plane with an indenter probe / 3 /. Further, to test the strength characteristics in the sail up to the upper boundary of the consolidated layer and the keel of the hummock from the lower boundary of the consolidated layer (not consolidated part of the keel), an indenter in the form of a cylinder segment is installed on the probe's hydraulic cylinder, which is the same size as the base plate. In this case, tests are carried out with borehole wall loading in both directions. The size of the indenter provides the necessary loading in a medium formed from ice fragments, and the lower strength of such a medium in comparison with flat ice and with a consolidated part of the hummock allows one to determine its strength characteristics at low values of the penetration stress and a reduced amount of penetration. To test the strength of ice in the consolidated layer, the indenter probe is removed from the well; instead of an indenter in the form of a cylinder segment that coincides in area with the base plate, an indenter is installed an order of magnitude smaller than the base plate area. Next, the probe-indenter is lowered into the borehole to the level of the consolidated layer and ice strength tests are carried out with the introduction of the indenter into the borehole wall relative to the base plate. Depending on the thickness of the consolidated layer, several tests are carried out by lowering the probe into the well. The drilled out core is placed in a thermal cover. Holes are drilled in the core directly through the thermal cover along its entire length with a predetermined step to the middle of the core, the temperature probe of an electronic thermometer is sequentially introduced into the holes and the ice temperature is measured. Thus, the distribution of ice temperature throughout the entire thickness of the ice formation is determined. Next, the core is removed from the thermal cover, its texture is visually described and cut into samples in the form of disks with a thickness of about 20 mm, excluding the layers in which holes were drilled for the thermal probe of an electronic thermometer. Samples in the form of disks, as they are made, are placed in a field testing machine (PIM-200) / 4 / and tests are carried out for strength at central bending. In this case, tests of strength at the central bending of ice samples in the form of disks are carried out sequentially for the sail to the upper boundary of the consolidated layer, for the consolidated layer and the unconsolidated part of the keel of hummocky formations. In addition, after each test, the broken discs are placed in sealed containers in which the ice is melted and kept to room temperature. Then, the conductivity of the liquid is measured with a conductometer and, according to the nomogram, is converted into the salinity of ice / 3 /. Based on these measurements, the distribution of ice salinity over the thickness of ice formations for the sail, consolidated layer and keel is obtained.

Далее в непосредственной близости от первого керна керноотборником отбирают второй керн на всю толщину тороса или стамухи, который распиливают на образцы цилидрической формы, высота которых превосходит диаметр минимум в два с половиной раза в соответствии с рекомендациями СП 11-114-2004 /5/. У каждого образца определяют объем и вес, и на основании этих измерений определяют плотность льда. Таким образом получают распределение плотности льда по толщине ледяных образований в парусе, консолидированном слое и неконсолидированной части киля. После этого цилиндрические образцы подвергаются испытаниям прочности при сжатии в полевом прессе /3/, в результате получают распределение прочности льда при сжатии по толщине торосистых образований в парусе до верхней границы консолидированного слоя, в консолидированном слое и в неконсолидированной части киля в плоскости, перпендикулярной нарастанию льда. В скважине, полученной после извлечения второго керна, проводят испытания при помощи зонд-индентора аналогично описанным выше с целью повышения точности измерений за счет увеличения статистически значимого количества испытаний.Further, in the immediate vicinity of the first core, a second core is taken with a core sampler for the entire thickness of the hummock or stamukha, which is cut into cylindrical samples, the height of which exceeds the diameter by at least two and a half times in accordance with the recommendations of SP 11-114-2004 / 5 /. The volume and weight of each sample is determined and the density of the ice is determined from these measurements. Thus, the distribution of ice density over the thickness of ice formations in the sail, the consolidated layer and the unconsolidated part of the keel is obtained. After that, the cylindrical specimens are subjected to compressive strength tests in a field press / 3 /, as a result, the distribution of ice strength in compression over the thickness of hummock formations in the sail to the upper boundary of the consolidated layer, in the consolidated layer and in the unconsolidated part of the keel in the plane perpendicular to the ice growth ... In the well obtained after extracting the second core, tests are carried out using an indenter probe similar to those described above in order to improve the measurement accuracy by increasing the statistically significant number of tests.

Общие размеры паруса (трехмерная модель рельефа) торосистого образования определяется следующим образом. В характерных точках термобурения и определения физико-механических характеристик торосистых образований проводятся определения координат в условной или географической системах координат и высот этих точек относительно уровня моря. Для этого используется, например спутниковое геодезическое оборудование, работающее на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, или электронный тахеометр. Перед выполнением съемки на ледовые объекты наносятся опорные знаки контрастирующего цвета в виде пятна или креста, в том числе и на места проведения термобурения и испытаний физико-механических характеристик льда. После координатной и высотной привязок применяется, например, беспилотный летательный аппарат мультироторного типа (БПЛА), укомплектованный блоком, содержащим фото- и видеокамеру фиксации в видимом диапазоне. При помощи специальных программ результаты съемки позволяют отображать поверхности торосистых образований в виде регулярной сетки значений высот, а именно создание цифровой карты высот надводной части торосистых образований. Для контроля качества получаемых при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа цифровых трехмерных моделей рельефа параллельно выполняется планово-высотная съемка полигона, разбитого на торосистом образовании. Такая съемка осуществляется при помощи электронного тахеометра, который последовательно устанавливается на ровном ледяном покрове на четырех пикетах, расположенных вокруг торосистого образования и выбранных в зависимости от горизонтальных и вертикальных размеров тороса или стамухи, и связанных между собой замкнутым теодолитным ходом. С этих пикетов осуществляется угловая и линейная съемки тороса или стамухи с привязкой измерений к уровню моря. Кроме того, определяются географические координаты пикетов установки электронного тахеометра при помощи спутникового геодезического оборудования или съемка в плане осуществляется в условных координатах электронным тахеометром.The overall dimensions of the sail (three-dimensional terrain model) of the hummock formation are determined as follows. At characteristic points of thermal drilling and determination of the physical and mechanical characteristics of hummock formations, coordinates are determined in conventional or geographic coordinate systems and the heights of these points relative to sea level. For this, for example, satellite geodetic equipment operating on the basis of the global navigation systems GLONASS / GPS, or an electronic total station is used. Before shooting, reference marks of a contrasting color in the form of a spot or a cross are applied to ice objects, including at the places where thermal drilling and testing of the physical and mechanical characteristics of ice are carried out. After coordinate and altitude referencing, for example, a multi-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) is used, equipped with a unit containing a photo and video camera for fixing in the visible range. With the help of special programs, the survey results make it possible to display the surfaces of hummocky formations in the form of a regular grid of heights, namely, the creation of a digital elevation map of the surface of the hummocky formations. To control the quality of digital three-dimensional terrain models obtained with the help of an unmanned aerial vehicle (UAV), a parallel high-altitude survey of the landfill is carried out in a hummock formation. Such a survey is carried out using an electronic total station, which is sequentially installed on an even ice cover at four pickets located around the hummock formation and selected depending on the horizontal and vertical dimensions of the hummock or stamukha, and interconnected by a closed theodolite passage. From these pickets, angular and linear surveys of hummocks or stamukha are carried out with reference of measurements to sea level. In addition, the geographic coordinates of the pickets of the installation of an electronic total station are determined using satellite geodetic equipment or survey in plan is carried out in conventional coordinates with an electronic total station.

Для съемки подводных частей ледовых образований (килей) применяется, например, профилирующий гидролокатор бокового обзора, оборудованный приводом вращения и модулем ориентации, что позволяет получать при помощи специальных программ цифровую модель рельефа киля (ЦМРК) тороса или стамухи. Для этого на тех же пикетах, на которых проводится тахеометрическая съемка, вырезаются майны, над ними устанавливается тренога с ручной или электрической лебедкой, и на стальном тросе на заданную глубину опускается гидролокатор и проводится съемка. Степень получаемой детализации цифровой модели рельефа киля (ЦМРК) регулируется настройкой шага сканирующего луча гидролокатора. В результате гидролокационной съемки получают трехмерное изображение подводных частей ледовых объектов.To survey the underwater parts of ice formations (keels), for example, a profiling side-scan sonar equipped with a rotation drive and an orientation module is used, which makes it possible to obtain a digital model of the keel relief (CMRK) of a hummock or stamukha using special programs. For this, lanes are cut out at the same pickets where the tacheometric survey is carried out, a tripod with a manual or electric winch is installed above them, and the sonar is lowered on a steel cable to a given depth and the survey is carried out. The degree of detail obtained for the digital keel elevation model (DEM) is controlled by setting the step of the scanning sonar beam. As a result of sonar survey, a three-dimensional image of the underwater parts of ice objects is obtained.

Визуальное уточнение результатов работы гидролокатора бокового обзора осуществляется при помощи видеосъемки киля тороса или стамухи телеуправляемым подводным аппаратом (ТПА) типа «ГНОМ» или аналогичным устройством. Для этого телеуправляемый подводный аппарат погружается в те же майны, что и гидролокатор бокового обзора, и производится видеозапись килей торосистых образований.Visual clarification of the results of the side-scan sonar operation is carried out using video filming of the keel of the hummock or stamukha by a remotely controlled underwater vehicle (TPA) of the GNOM type or a similar device. For this, the remotely controlled underwater vehicle is immersed in the same lanes as the side-scan sonar, and the keels of hummocky formations are recorded.

Способ определения физико-механических и морфометрических характеристик торосов и стамух поясняется схемой, приведенной на фиг. 1, на которой представлен торос 1 в разрезе по одному из секущих профилей (на фиг. 1 стамуха не приводится). Торос состоит из паруса 2, консолидированного слоя 3, неконсолидированной части киля 4 и окружен ровным ледяным покровом 5. При этом выше уровня моря 6 находится часть консолидированного слоя 3 и парус 2. Ниже уровня моря 6 находится большая часть консолидированного слоя 3 и неконсолидированная часть киля 4. На фиг. 1 условно обозначен донный грунт 7. На поверхности тороса перпендикулярно и параллельно гребню размечаются секущие профили с заданным шагом, которые начинаются и заканчиваются на ровных участках ледяного покрова 5. В узлах такой сетки проводят термобурение скважин 8 водяным буром или буром с электрической коронкой. Бурение проводится последовательно в парусе 2, консолидированном слое 3 и в неконсолидированной части киля 4. По результатам термобурения определяют места проведения физико-механических испытаний в торосистых образованиях, в которых керноотборником выбуривают два керна (скважины 9) на всю толщину тороса или стамухи. Один керн используется для определения текстуры, профиля температуры и солености льда, а также из него подготавливаются образцы льда в виде дисков для получения прочности образцов при центральном изгибе. Такие испытания проводятся последовательно в парусе 2, консолидированном слое 3 и неконсолидированной части киля 4. Второй керн разрезается на цилиндрические образцы, высота которых в два с половиной раза больше диаметра. Цилиндрические образцы измеряются и взвешиваются на электронных весах. На основании этих измерений получают плотность льда в парусе, консолидированном слое и киле. Далее проводят испытания прочности цилиндрических образцов льда при сжатии в полевом прессе (на фиг. 1 не приводится). Таким образом получают распределение прочности льда в торосистых образованиях перпендикулярно поверхности нарастания ледяного покрова. Кроме того, во всех скважинах 9, выбуренных керноотборником, проводят испытания прочности льда при помощи зонд-индентора в горизонтальной плоскости параллельно поверхности намерзания ледяного покрова (на фиг. 1 не приводится).The method for determining the physicomechanical and morphometric characteristics of hummocks and stamukhas is illustrated by the diagram shown in Fig. 1, which shows the hummock 1 in section along one of the secant profiles (in Fig. 1, the stamukha is not shown). The hummock consists of sail 2, consolidated layer 3, unconsolidated part of keel 4 and is surrounded by flat ice cover 5. At the same time, above sea level 6 there is a part of consolidated layer 3 and sail 2. Below sea level 6 there is most of consolidated layer 3 and an unconsolidated part of keel 4. In FIG. 1 conventionally designated the bottom soil 7. On the surface of the hummock perpendicularly and parallel to the ridge, intersecting profiles with a given step are marked, which begin and end on flat areas of the ice cover 5. At the nodes of such a grid, thermal drilling of wells 8 is carried out with a water drill or a drill with an electric bit. Drilling is carried out sequentially in sail 2, consolidated layer 3 and in the unconsolidated part of keel 4. Based on the results of thermal drilling, the locations of physical and mechanical tests in hummock formations are determined, in which two core samples (wells 9) are drilled out with a core sampler to the entire thickness of the hummock or stamukha. One core is used to determine the texture, temperature and salinity of the ice, and from it are prepared ice samples in the form of discs to obtain the strength of the samples at the central bend. Such tests are carried out sequentially in sail 2, consolidated layer 3 and unconsolidated part of the keel 4. The second core is cut into cylindrical specimens, the height of which is two and a half times the diameter. Cylindrical samples are measured and weighed on an electronic balance. From these measurements, the density of ice in the sail, consolidated layer and keel is obtained. Next, tests are carried out for the strength of cylindrical ice samples under compression in a field press (not shown in Fig. 1). Thus, the distribution of ice strength in hummocky formations is obtained perpendicular to the surface of the ice cover growth. In addition, in all wells 9 drilled with a core sampler, ice strength tests are carried out using an indenter probe in a horizontal plane parallel to the surface of freezing of the ice cover (not shown in Fig. 1).

Для определения геометрических размеров паруса торосистых образований применяется беспилотный летательный аппарат 10 мультироторного типа (БПЛА), укомплектованный блоком, содержащим фото- и видеокамеру фиксации в видимом диапазоне (на фиг. 1 не приводятся). Перед применением БПЛА 10 осуществляется определение координат и высот относительно уровня моря 6, характерных точек полигона 8, 9, в которых проводится термобурение и определение физико-механических характеристик торосистых образований. Для этого используется спутниковое геодезическое оборудование, работающее на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводятся), или электронный тахеометр. В этих местах на ледовые объекты наносятся опорные знаки контрастирующего цвета. Для контроля качества данных, получаемых беспилотным летательным аппаратом 10, выполняется планово-высотная съемка полигона, разбитого на торосистом образовании 1. Такая съемка осуществляется при помощи электронного тахеометра 11 и отражателя 12, который перемещается по выбранным характерным точкам полигона 8, 9; тахеометр 11 последовательно устанавливается на ровном ледяном покрове на четырех пикетах 13 (на фиг. 1 представлены два пикета), расположенных вокруг торосистого образования 1 и выбранных в зависимости от горизонтальных и вертикальных размеров тороса или стамухи; с этих пикетов 13 осуществляется угловая и линейная съемки тороса 1 или стамухи с привязкой измерений к уровню моря 6. Кроме того определяются географические координаты пикетов 13 при помощи спутникового геодезического оборудования, работающего на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводится), или электронным тахеометром в условной системе координат.To determine the geometric dimensions of the sail of hummocky formations, an unmanned aerial vehicle 10 of a multi-rotor type (UAV) is used, equipped with a block containing a photo and video camera for fixing in the visible range (not shown in Fig. 1). Before using the UAV 10, the coordinates and heights relative to sea level 6, the characteristic points of the landfill 8, 9, are determined, in which thermal drilling is carried out and the physical and mechanical characteristics of hummock formations are determined. For this, satellite geodetic equipment is used, operating on the basis of the global navigation systems GLONASS / GPS (not shown in Fig. 1), or an electronic total station. In these places, reference marks of a contrasting color are applied to ice objects. To control the quality of the data received by the unmanned aerial vehicle 10, a high-altitude survey of the landfill is carried out, divided into hummock formation 1. Such a survey is carried out using an electronic total station 11 and a reflector 12, which moves along the selected characteristic points of the polygon 8, 9; the total station 11 is sequentially installed on a flat ice cover at four pickets 13 (Fig. 1 shows two pickets) located around the hummock formation 1 and selected depending on the horizontal and vertical dimensions of the hummock or stamukha; from these pickets 13, angular and linear surveys of hummock 1 or stamukha are carried out with reference to measurements to sea level 6. In addition, the geographical coordinates of pickets 13 are determined using satellite geodetic equipment operating on the basis of global navigation systems GLONASS / GPS (not shown in Fig. 1 ), or an electronic total station in a conventional coordinate system.

Съемка подводных частей торосистых образований (килей 4) проводится с помощью профилирующего гидролокатора бокового обзора 14 и осуществляется с тех же пикетов 13, что и съемка тахеометром 11. Для этого во льду на пикетах 13 вырезаются четыре майны (на фиг. 1 приведены две майны), над ними устанавливается тренога 15 с ручной или электрической лебедками; на стальном тросе на заданную глубину опускается гидролокатор 14 и проводится съемка киля 4. Все измерения привязываются к поверхности уровня моря 6. Визуальное уточнение работы гидролокатора бокового обзора 14 обеспечивается телеуправляемым подводным аппаратом 16 (ТПА) типа «ГНОМ» или аналогичным устройством. Для этого телеуправляемый подводный аппарат 16 погружается на пикетах 13 в те же майны, что и гидролокатор бокового обзора 14, и производится видеозапись килей торосистых образований.Survey of the underwater parts of hummocky formations (keels 4) is carried out using a profiling side-scan sonar 14 and is carried out from the same pickets 13 as the survey with a total station 11. For this, four lanes are cut out in the ice at pickets 13 (two lanes are shown in Fig. 1) , a tripod 15 with manual or electric winches is installed above them; sonar 14 is lowered on a steel cable to a predetermined depth and keel 4 is surveyed. All measurements are tied to the sea level surface 6. Visual clarification of the operation of side-scan sonar 14 is provided by a remotely operated underwater vehicle 16 (TPA) of the GNOM type or a similar device. For this, the remote-controlled underwater vehicle 16 is immersed at pickets 13 into the same lanes as the side-scan sonar 14, and the keels of hummocky formations are recorded.

Способ определения физико-механических и морфометрических характеристик торосистых образований осуществляется следующим образом. На поверхности тороса 1 или стамухи (стамуха на фиг. 1 не представлена) проводят разбивку секущих профилей с заданным шагом, проходящих параллельно и перпендикулярно гребню тороса или стамухи. На профилях в узлах равномерной сетки намечают точки термобурения 8. В этих точках проводят бурение при помощи водяного термобура или электротермобура (в зависимости от решаемых задач) с записью на компьютер (логгер) для определения вертикальных размеров и строения паруса 2, консолидированного слоя 3 и неконсолидированной части киля 4. Далее по результатам термобурения выбирают характерные места для бурения керноотборником скважин 9, в которых проводят испытания с помощью зонд-индентора. Для проведения испытаний прочностных характеристик в парусе и киле тороса на гидроцилиндр зонда устанавливается индентор в виде сегмента цилиндра, по размерам совпадающий с размерами опорной плиты. В этом случае испытания проводятся с нагружением стенки скважины в обоих направлениях. Размер индентора обеспечивает необходимое нагружение в среде, сформированной из обломков льда, а меньшая прочность такой среды по сравнению с ровным льдом и с консолидированной частью тороса позволяет определить ее прочностные характеристики при низких значениях напряжения внедрения и уменьшенной величине внедрения. Для проведения испытаний прочности льда в консолидированном слое зонд-индентор извлекается из скважины 9, вместо индентора в виде сегмента цилиндра, совпадающего по площади с опорной плитой, устанавливают индентор, по площади на порядок меньше площади опорной плиты. Далее зонд-индентор опускают в скважину 9 до уровня консолидированного слоя 3 и проводят испытания прочности льда с внедрением индентора в стенку скважины относительно опорной плиты. В зависимости от толщины консолидированного слоя 3 проводят несколько испытаний, последовательно опуская зонд в скважину 9. При этом предварительно выбуренный керн помещают в термочехол, в нем с заданным шагом просверливают непосредственно через термочехол отверстия до середины керна, в которые последовательно вводят термощуп электронного термометра и производят измерения температуры льда (на фиг. 1 не приводится). Таким образом определяют распределение температуры льда по всей толщине ледяного образования. Далее керн извлекают из термочехла, визуально описывают его текстуру и разрезают на образцы в виде дисков толщиной около 20 мм, исключая слои, в которых были просверлены отверстия под термощуп электронного термометра. Образцы в виде дисков, по мере их изготовления, помещают в полевую испытательную машину (ПИМ-200) /4/ и проводят испытания прочности образцов при центральном изгибе. При этом испытания прочности при центральном изгибе образцов льда в виде дисков проводят последовательно для паруса, консолидированного слоя и киля торосистых образований. Кроме того, после каждого испытания разрушенные диски помещают в герметичные контейнеры, в которых лед расплавляется и выдерживается до комнатной температуры. Затем проводят измерение проводимости жидкости кондуктометром и по номограмме переводят в соленость льда /4/ (на фиг. 1 не приводится). На основании таких измерений получают распределение солености льда по толщине ледяных образований для паруса, консолидированного слоя и неконсолидированной части киля.The method for determining the physical, mechanical and morphometric characteristics of hummocky formations is carried out as follows. On the surface of the hummock 1 or stamukha (stamukha is not shown in Fig. 1), a breakdown of the secant profiles with a given step is carried out, running parallel and perpendicular to the ridge of the hummock or stamukha. On the profiles at the nodes of a uniform grid, points of thermal drilling are marked 8. At these points, drilling is carried out using a water thermal drill or an electric thermal drill (depending on the tasks being solved) with recording on a computer (logger) to determine the vertical dimensions and structure of the sail 2, consolidated layer 3 and unconsolidated parts of the keel 4. Further, according to the results of thermal drilling, characteristic places are selected for drilling with the core sampler of wells 9, in which tests are carried out using an indenter probe. To test the strength characteristics in the sail and the keel of the hummock, an indenter in the form of a cylinder segment is installed on the probe's hydraulic cylinder, the dimensions coinciding with the dimensions of the base plate. In this case, tests are carried out with borehole wall loading in both directions. The size of the indenter provides the necessary loading in a medium formed from ice fragments, and the lower strength of such a medium in comparison with flat ice and with a consolidated part of the hummock allows one to determine its strength characteristics at low values of the penetration stress and a reduced amount of penetration. To test the strength of ice in the consolidated layer, an indenter probe is removed from well 9, instead of an indenter in the form of a cylinder segment that coincides in area with the base plate, an indenter is installed, the area is an order of magnitude smaller than the base plate area. Next, the probe-indenter is lowered into the borehole 9 to the level of the consolidated layer 3 and ice strength tests are carried out with the introduction of the indenter into the borehole wall relative to the base plate. Depending on the thickness of the consolidated layer 3, several tests are carried out, sequentially lowering the probe into the borehole 9. In this case, the pre-drilled core is placed in a thermal cover, in it, with a given step, holes are drilled directly through the thermal cover to the middle of the core, into which the thermal probe of an electronic thermometer is sequentially introduced and produced ice temperature measurements (not shown in Fig. 1). Thus, the distribution of ice temperature throughout the entire thickness of the ice formation is determined. Next, the core is removed from the thermal cover, its texture is visually described and cut into samples in the form of disks with a thickness of about 20 mm, excluding the layers in which holes were drilled for the thermal probe of an electronic thermometer. Samples in the form of disks, as they are made, are placed in a field testing machine (PIM-200) / 4 / and the strength of the samples at central bending is tested. In this case, tests of the strength at the central bending of ice samples in the form of disks are carried out sequentially for the sail, consolidated layer and keel of hummocky formations. In addition, after each test, the broken discs are placed in sealed containers in which the ice is melted and kept to room temperature. Then conduct the measurement of the conductivity of the liquid conductometer and the nomogram is converted into the salinity of ice / 4 / (not shown in Fig. 1). Based on such measurements, the distribution of ice salinity over the thickness of ice formations is obtained for the sail, consolidated layer and unconsolidated part of the keel.

Общие размеры паруса (модель рельефа) 2 торосистого образования определяются следующим образом. В характерных точках термобурения и определения физико-механических характеристик торосистых образований 8, 9 проводятся определения координат и высот этих точек относительно уровня моря. Для этого используется спутниковое геодезическое оборудование, работающее на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводится), или электронный тахеометр. Перед выполнением съемки на ледовые объекты наносятся опорные знаки контрастирующего цвета в виде пятна или креста (на фиг. 1 не приводится). После координатной и высотной привязок применяется беспилотный летательный аппарат мультироторного типа 10 (БПЛА), укомплектованный блоком, содержащим фото- и видеокамеру фиксации в видимом диапазоне (на фиг. 1 не приводится). При помощи специальных программ результаты съемки позволяют отображать поверхности торосистых образований в виде регулярной сетки значений высот, а именно создание цифровой карты высот торосистых образований (модель рельефа). Для контроля качества получаемых при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа 10 моделей рельефа параллельно выполняется планово-высотная съемка полигона, разбитого на торосистом образовании. Такая съемка осуществляется при помощи электронного тахеометра 11, который последовательно устанавливается на ровном ледяном покрове на четырех пикетах 13, расположенных вокруг торосистого образования и выбранных в зависимости от горизонтальных и вертикальных размеров тороса или стамухи; с этих пикетов 13 осуществляется угловая и линейная съемки тороса или стамухи при помощи отражателя 12, который перемещается по поверхности торосистого образования по узловым точкам сетки с привязкой измерений к уровню моря 6. Кроме того определяются координаты пикетов 13 при помощи спутникового геодезического оборудования, работающего на базе глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (на фиг. 1 не приводится), или электронного тахеометра.The overall dimensions of the sail (relief model) 2 of the hummocky formation are determined as follows. At characteristic points of thermal drilling and determination of the physical and mechanical characteristics of hummock formations 8, 9, the coordinates and heights of these points are determined relative to sea level. For this, satellite geodetic equipment is used, operating on the basis of the GLONASS / GPS global navigation systems (not shown in Fig. 1), or an electronic total station. Before shooting, reference marks of a contrasting color in the form of a spot or a cross are applied to ice objects (not shown in Fig. 1). After coordinate and altitude referencing, an unmanned aerial vehicle of the multi-rotor type 10 (UAV) is used, equipped with a unit containing a photo and video camera for fixing in the visible range (not shown in Fig. 1). With the help of special programs, the survey results make it possible to display the surfaces of hummocky formations in the form of a regular grid of heights, namely, the creation of a digital elevation map of hummocky formations (relief model). To control the quality of 10 terrain models obtained with the help of an unmanned aerial vehicle (UAV) of a multi-rotor type, a plan-high-altitude survey of the landfill is carried out in parallel on a hummock formation. Such a survey is carried out using an electronic tacheometer 11, which is sequentially installed on a flat ice cover at four pickets 13 located around the hummock formation and selected depending on the horizontal and vertical dimensions of the hummock or stamukha; from these pickets 13, angular and linear surveying of the hummock or stamukha is carried out using a reflector 12, which moves along the surface of the hummock formation along the nodal points of the grid with reference to the measurements to sea level 6. In addition, the coordinates of the pickets 13 are determined using satellite geodetic equipment operating on the base global navigation systems GLONASS / GPS (not shown in Fig. 1), or an electronic total station.

Для съемки рельефа подводных частей ледовых образований (килей) применяется профилирующий гидролокатор бокового обзора 14, оборудованный приводом вращения и модулем ориентации, что позволяет получать при помощи специальных программ цифровую модель рельефа киля (ЦМРК) тороса или стамухи. Для этого на тех же пикетах 13, на которых проводится тахеометрическая съемка, вырезаются майны, над ними устанавливается тренога 15 с ручной или электрической лебедкой; на стальном тросе на заданную глубину опускается гидролокатор 14 и проводится съемка. Степень получаемой детализации цифровой модели рельефа киля (ЦМРК) регулируется настройкой шага сканирующего луча гидролокатора. В результате гидролокационной съемки получают трехмерное изображение подводных частей ледовых объектов.To survey the relief of the underwater parts of ice formations (keels), a profiling side-scan sonar 14 is used, equipped with a rotation drive and an orientation module, which makes it possible to obtain, using special programs, a digital model of the keel relief (CMRK) of a hummock or stamukha. To do this, at the same pickets 13, where the tacheometric survey is carried out, lanes are cut out, a tripod 15 with a manual or electric winch is installed above them; sonar 14 is lowered on a steel cable to a predetermined depth and shooting is carried out. The degree of detail obtained for the digital keel elevation model (DEM) is controlled by setting the step of the scanning sonar beam. As a result of sonar survey, a three-dimensional image of the underwater parts of ice objects is obtained.

Для визуального уточнения изображений подводной части торосистых образований, получаемых при помощи гидролокатора бокового обзора 14, применяется телеуправляемый подводный аппарат 16 (ТПА) «ГНОМ» или аналогичное устройство. Для этого телеуправляемый подводный аппарат 16 погружается на пикетах 13 в те же майны, что и гидролокатор бокового обзора 14 и производится видеозапись килей 4 торосистых образований.For visual clarification of the images of the underwater part of hummocky formations, obtained with the help of side-scan sonar 14, a remotely controlled underwater vehicle 16 (TPA) "GNOM" or a similar device is used. To do this, the remote-controlled underwater vehicle 16 is immersed at pickets 13 into the same lanes as the side-scan sonar 14 and the keels of 4 hummock formations are recorded.

Используемые источникиSources used

1. Морев В.А., Морев А.В., Харитонов В.В. Способ определения структуры торосов и стамух, свойств льда и границы льда и грунта. Патент на изобретение №2153070 от 20.07.2000.1. Morev V.A., Morev A.V., Kharitonov V.V. Method for determining the structure of hummocks and stamukhas, properties of ice and the boundaries of ice and soil. Patent for invention No. 2153070 dated 20.07.2000.

2. Ковалев С.М., Никитин В.А., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Способ определения физико-механических характеристик ледовых образований в натурных условиях в скважинах. Патент на изобретение №2348018 от 27.02.2009.2. Kovalev S.M., Nikitin V.A., Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Method for determining the physical and mechanical characteristics of ice formations in natural conditions in wells. Patent for invention No. 2348018 dated 27.02.2009.

3. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалёв С.М., Яцкевич А.А., Щепанюк С.Н., Ефимов Я.О., Корнишин К.А. Комплексная система для определения характеристик прочности льда в натурных условиях и на образцах. Патент на изобретение №2682835 от 21 марта 2019.3. Smirnov V.N., Shushlebin A.I., Kovalev S.M., Yatskevich A.A., Schepanyuk S.N., Efimov Ya.O., Kornishin K.A. An integrated system for determining the characteristics of ice strength in natural conditions and on samples. Patent for invention No. 2682835 dated March 21, 2019.

4. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалёв С.М., Шейкин И.Б. Методическое пособие по изучению физико-механических характеристик ледяных образований как исходных данных для расчета ледовых нагрузок на берега, дно и морские сооружения. СПб. ААНИИ. 2011, 178 с.4. Smirnov V.N., Shushlebin A.I., Kovalev S.M., Sheikin I.B. Methodological manual for the study of physical and mechanical characteristics of ice formations as input data for calculating ice loads on the coast, bottom and offshore structures. SPb. AARI. 2011, 178 p.

5. СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений. Госстрой России. М.: Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС») Госстроя России, 2004, 88 с.5.SP 11-114-2004. Engineering surveys on the continental shelf for the construction of offshore oil and gas facilities. Gosstroy of Russia. Moscow: Production and Research Institute for Engineering Surveys in Construction (FSUE "PNIIIS") Gosstroy of Russia, 2004, 88 p.

Claims

1. A method for determining the physical, mechanical and morphometric characteristics of ice hummock formations, which consists in determining the thickness and structure of hummocks and stamukhas by drilling according to a given grid of profiles, local ice strength in wells using an indenter probe and on ice samples, surface and underwater hummock surfaces formations using satellite geodetic equipment, an electronic tacheometer, an unmanned aerial vehicle, a side-looking sonar and a remotely controlled underwater vehicle, characterized in that the grid of profiles is built in such a way that the beginning and end of each profile, parallel and perpendicular to the ridges of hummocky formations, are located on a flat ice cover, and the specified characteristics of ice in ice formations are determined by two cores drilled through the entire thickness of the hummock or stamukha at each characteristic nodal point of intersection of the profiles selected during thermal drilling for a sail consolidated the layer and the unconsolidated part of the keel, and in the same wells the local ice strength is determined by the probe-indenter, and the characteristic nodal points are marked with a contrast dye for geodetic referencing and altitude referencing relative to sea level, and the lower surface of the keel of the hummocky formation is tied to sea level and to the nodal points of the profile grid with thermal drilling holes.

2. A method for determining the physicomechanical and morphometric characteristics of ice hummock formations according to claim 1, characterized in that the altitude reference relative to sea level of characteristic nodal points on the profile grid is carried out from a flat ice surface and in the same places through the lanes cut out in the ice an underwater surveying the bottom surface of ice formations.