Полуколичественная оценка риска оползневых склонов автомобильных дорог в краснодарском крае
На правах рукописи
ЛЮБАРСКИЙ Николай Николаевич
ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА РИСКА
ОПОЛЗНЕВЫХ СКЛОНОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ
Специальность: 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог,
метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Маций Сергей Иосифович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Бондарев Борис Александрович |
| кандидат технических наук, доцент Богомолова Оксана Александровна |
| Ведущая организация: | ФГОБУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» Сочинский филиал |
Защита состоится 29 февраля 2012 г. в 13-00 в ауд. Б-203 на заседании
диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский
государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «27» января 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Т. К. Акчурин |
Общая характеристика ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы. Природно-климатические условия, литолого-структурные особенности пород, слагающих склоны, техногенное воздействие способствуют развитию большого количества оползневых явлений на участках автомобильных дорог в Краснодарском крае. Однако в условиях горного рельефа технические и экономические факторы часто не позволяют выполнить инженерно-геологические изыскания должного качества. В связи с этим для выявления опасных участков и установления их приоритетности для проведения защитных мероприятий применяется полуколичественная оценка оползневого риска. Ее достоинствами являются: высокая скорость обследования, простота при обработке и сопоставлении результатов, полученных различными специалистами, возможность принимать своевременные защитные решения.
К основным недостаткам существующих методик полуколичественной оценки можно отнести отсутствие коэффициентов значимости отдельных оползнеобразующих факторов и занижение степени воздействия водного потока в основании склона. Данный подход не приемлем в условиях Краснодарского края, где климатические условия и активная вырубка лесов на берегах рек приводят к формированию большого количества стремительных дождевых паводков. Наличие усовершенствованной методики полуколичественной оценки и управления оползневым риском позволит выбирать более надежные и эффективные решения при проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных объектов.
Целью проведенных исследований являются: совершенствование методики полуколичественной оценки оползневого риска, разработка рекомендаций по управлению оползневым риском и внедрение их в практику эксплуатации автомобильных дорог.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать существующие методики полуколичественной оценки оползневого риска;
- выявить и систематизировать основные факторы, влияющие на
устойчивость склонов автомобильных дорог; - определить роль рек в формировании оползневых явлений в
Краснодарском крае; - получить количественные зависимости устойчивости склона от
воздействующих факторов; - усовершенствовать методику полуколичественной оценки риска для применения в практике проектирования противооползневых
сооружений; - разработать рекомендации по управлению оползневым риском.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались натурное обследование оползнеопасных участков автомобильных дорог, расчеты устойчивости склонов методом предельного равновесия, математическое моделирование положения поверхности грунтовых вод методом конечных элементов, сопоставление полученных результатов расчетов с данными известных теоретических и экспериментальных исследований.
Достоверность результатов подтверждена сравнением с фактическими инженерно-геологическими условиями исследованных участков, использованием общепринятых расчетных методов и современных программных комплексов, успешным применением предложенных методик в практике эксплуатации автомобильных дорог.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
- получены количественные зависимости, позволяющие определить степень влияния на устойчивость склонов основных оползнеобразующих факторов, в том числе и воздействие речного потока;
- разработана и апробирована усовершенствованная методика
полуколичественной оценки оползневого риска на автомобильных дорогах; - разработаны рекомендации по управлению оползневым риском на основе геотехнического мониторинга для своевременного принятия необходимых мер инженерной защиты транспортных сооружений.
Практическая значимость работы. Разработанные методика оценки и рекомендации по управлению оползневым риском на автомобильных дорогах обеспечивают принятие обоснованных решений при проектировании, строительстве и эксплуатации защитных сооружений.
Реализация результатов работы осуществлена:
- на автомобильных дорогах регионального и межмуниципального значения в Туапсинском, Апшеронском и Горячеключевском районах Краснодарского края;
- на участке автомобильной дороги А-149 Адлер – Красная Поляна;
- на транспортной развязке «Агура» в г. Сочи.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на ежегодных конференциях инженерно-строительного факультета Кубанского государственного аграрного университета (Краснодар, 2008–2011), Всероссийских научно-практических конференциях (Майкоп, 2009–2011; Краснодар, 2009–2010), Международных геотехнических конференциях (Волгоград, 2010; Москва, 2010; Пермь, 2011).
Публикации. По теме исследования опубликовано 11 научных работ, включая 2 статьи в рецензируемых научных журналах. Диссертант является одним из соавторов отраслевого дорожного документа ОДМ 218.3.008-2011 «Рекомендации по мониторингу и обследованию подпорных стен и удерживающих сооружений на оползневых участках автомобильных дорог».
Личный вклад автора состоит:
- в обследовании оползнеопасных участков автомобильных дорог Краснодарского края;
- в систематизации выявленных оползнеобразующих факторов;
- в проведении компьютерного моделирования устойчивости склонов и определении степени влияния данных факторов;
- в разработке усовершенствованной методики полуколичественной оценки и рекомендаций по управлению оползневым риском.
Научные положения, выносимые на защиту:
- полученные результаты численного моделирования позволяют определить степень влияния различных оползнеобразующих факторов на устойчивость склонов;
- с помощью разработанной методики полуколичественной оценки риска своевременно выявляются опасные участки и предлагаются обоснованные решения инженерной защиты;
- управление оползневым риском на основе геотехнического мониторинга обеспечивает безопасную эксплуатацию транспортных сооружений на оползневых участках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 147 страницах, состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка используемых источников (102 наименования), приложения и содержит 68 рисунков и 19 таблиц.
Диссертационные исследования проведены на кафедре строительных материалов и конструкций Кубанского государственного аграрного университета в период с 2008 по 2011 гг. под руководством доктора технических наук, профессора Мация Сергея Иосифовича, которому выражаю искреннюю благодарность за постоянное внимание к работе. Автор очень признателен за помощь при выполнении исследований кандидату технических наук, доценту кафедры строительных материалов и конструкций Безугловой Екатерине Вячеславовне.
содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, поставлены цель и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость, обоснована достоверность полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются результаты ранее проведенных исследований оползневых процессов, выполнен анализ существующих подходов к определению устойчивости склонов и оценке риска.
Вопросы оценки устойчивости склонов и оползневого риска в различных инженерно-геологических условиях рассмотрены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных исследователей: В. Ф. Безрукова, А. И. Билеуша, А. Н. Богомолова, Л. К. Гинзбурга, М. Н. Гольдштейна, Э. М. Доброва, Н. И. Дубровина, Е. П. Емельяновой, Г. С. Золотарева, П. Л. Иванова, В. Д. Казарновского, Н. Н. Маслова, С. И. Мация, В. И. Осипова, Л. П. Петровой-Ясюнас, Г. П. Постоева, Л. А. Рагозина, Г. И. Тер-Степаняна, К. Терцаги, В. И. Федорова, В. К. Цветкова, К. Ш. Шадунца, Г. М. Шахунянца, А. И. Шеко, Е. Е. Алонсо, И. Н. Бромхеда, Д. Крана, Н. Моргенштерна, А. У. Скемптона, Р. Н. Чоудхари, Д. М. Крудена, Г. Эль-Рамли и многих других.
Сложные природно-климатические условия, техногенное воздействие, а также наличие большого числа допущений при определении величины устойчивости склонов вызывают необходимость в оценке и управлении оползневым риском на автомобильных дорогах в Краснодарском крае. При этом одним из наиболее востребованных является метод полуколичественный оценки риска, который позволяет выявлять оползнеопасные участки и классифицировать их по приоритетности выполнения мероприятий инженерной защиты.
Как правило, в распоряжении исследователей имеется информация о воздействующих оползнеобразующих факторах для конкретного участка. Если их подробно рассмотреть, можно выйти на количественные (угол заложения дневной поверхности, высота стенки срыва и т. п.) и качественные (интенсивность выветривания, предыдущая история развития геологических процессов и т. п.) показатели. Переход от данных характеристик природных условий к балльным оценкам составляет суть полуколичественного метода. Значимость и интенсивность проявления каждого из факторов оценивается в безразмерных единицах-баллах по специальным шкалам.
Основным недостатком существующих полуколичественных методик является допущение о равнозначности влияния различных факторов формирования опасности. Также необходимо отметить, что существующие
методики значительно занижают степень влияния речного потока на
устойчивость склонов. Данный подход не приемлем в условиях Краснодарского края, где большое число автомобильных дорог проложено вдоль
русел рек.
Таким образом, дальнейшие исследования направлены на устранение данных недостатков и совершенствование методики полуколичественной оценки оползневого риска. Для этого требуется выявить и систематизировать основные оползнеобразующие факторы, установить степень их воздействия и на основании полученных зависимостей разработать новый алгоритм интеграции оценочных баллов.
Во второй главе приведены результаты расчетов устойчивости склонов при воздействии различных оползнеобразующих факторов.
Для сравнения и определения значимости каждого из факторов оползнеобразования требуется провести серию математических экспериментов на единой расчетной схеме с одинаковыми граничными условиями. Для этого в программном комплексе GeoStudio реализована плоская задача равновесия гомогенного склона с вертикальными боковыми гранями (рисунок 1). Устойчивость геотехнической модели определялась методом предельного равновесия Моргенштерна – Прайса.
Рисунок 1 – Расчетная схема
Рассмотрены следующие факторы: геологическое строение, заложение дневной поверхности, высота склона, водонасыщение грунтовыми водами, нагрузка от автомобильной дороги и воздействие речного потока. В общей сложности произведено более 5 тысяч расчетов, по результатам которых построены графики изменения отношения коэффициента устойчивости при воздействии факторов различной интенсивности Ki к его первоначальной величине K0.
Для оценки влияния геологического строения использованы песчаные (песок, супесь) и глинистые грунты (суглинок, глина), заданные моделью Кулона – Мора. Их прочностные характеристики приведены в таблице 1. При водонасыщении породы сцепление и угол внутреннего трения принимались в 1,5–2 раза ниже.
Таблица 1 – Прочностные характеристики грунтов
| Наименование грунта | Сцепление c, кПа | Угол внутреннего трения, град | Удельный вес, кН/м3 |
| Песок | 5 | 30 | 18 |
| Супесь | 10 | 20 | 18 |
| Суглинок | 15 | 15 | 18 |
| Глина | 25 | 10 | 18 |
С увеличением уклона дневной поверхности на 45 градусов устойчивость в среднем снижается для песчаных грунтов на 49–59%, для глинистых на 33–42% (рисунок 2а). С увеличением высоты на 15 м устойчивость в среднем снижается для песчаных грунтов на 23–29%, для глинистых на
34–41% (рисунок 2б).
При максимальном подъеме уровня грунтовых вод (УГВ) снижение устойчивости для песчаных грунтов составляет 49–62%, для глинистых
26–37% (рисунок 2в). Полученные данные близки к результатам исследований других авторов, что подтверждает их достоверность.
С увеличением нагрузки от автомобильной дороги до 4 полос движения
устойчивость снижается в среднем на 15% (рисунок 2г). При этом существенное влияние оказывает высоты склона. С увеличением масштаба потенциального смещения уменьшается общая доля, вносимая транспортной
нагрузкой в величину сдвигающих сил. Так, если для склонов высотой
5 м среднее снижение устойчивости составляет 35%, то для 15 м всего 6%.
Воздействие реки вызывает как необратимые, так и временные изменения устойчивости. Необратимые определяются интенсивной боковой эрозией и, как следствие, увеличением средней крутизны склона; временные связаны с изменением положения грунтовых вод при прохождении паводков и половодий. Если размывающую способность потока можно достаточно просто оценить по величине отмытой породы, то временную составляющую определить по внешним признакам не представляется возможным. Для этого требуется методом конечных элементов решить задачу динамической фильтрации. В ходе исследований установлено, что уменьшение устойчивости ниже первоначального значения происходит в одно и то же время вне зависимости от интенсивности паводка и соответствует спаду уровня воды на 25–40% для песка, 50–70% для супеси, 70–80% для суглинка. При этом в случае максимального затопления снижение устойчивости составляет 25, 19 и 10% соответственно (рисунок 2д). Скорость подъема уровня реки и геометрия склона на результат влияют незначительно.
Рисунок 2 – Изменение коэффициента устойчивости склонов при влиянии различных факторов: 1 – песчаные грунты, 2 – глинистые
В третьей главе приведены усовершенствованная методика полуколичественной оценки и рекомендации по управлению оползневым риском на автомобильных дорогах.
Под оползневым риском P понимается произведение вероятности смещения склона V на ожидаемый ущерб С:
| P = V x С. | (1) |
Вероятность возникновения смещения V определяется способностью грунтового массива воспринимать всю совокупность внешних и внутренних воздействий в течение заданного срока. Представим V в виде произведения интегрального показателя предрасположенности к смещению H на коэффициент активности оползневого процесса D:
| V = H x D, | (2) |
Интегральный показатель H найдем суммированием частных коэффициентов Нi, которые позволяют учесть характерные инженерно-геологические особенности исследуемого участка:
| Н = Н1 + Н2 + Н3 +... + Н12. | (3) |
По результатам серий тестовых расчетов, а также анализа трудов зарубежных авторов данным коэффициентам назначены соответствующие баллы, учитывающие интенсивность проявления и степень воздействия различных оползнеобразующих факторов (таблица 2).
Ущерб – это негативные последствия, вред, нанесенный людям и окружающей среде. Интегральный показатель ущерба С также определим суммой частных коэффициентов Bi (таблица 3), которые учитывают возможные экономические и социальные последствия нарушения устойчивости:
| С = B1 + B2 + B3 + B4 + B5. | (4) |
Величины коэффициентов предрасположенности к смещению Hi, активности оползневого процесса D, возможного ущерба Bi не являются строго фиксированными и при необходимости могут изменяться в большую или меньшую сторону.
Таблица 2 – Коэффициенты вероятности смещения
| Коэфф. | Влияющие факторы | Краткое описание | Оценочный балл | ||
| Песч. грунты | Глин. грунты | ||||
| H1 | Высота склона, м | а) до 5 б) до 10 в) до 15 г) более 15 | 0 15 30 50 | 0 20 40 70 | |
| H2 | Крутизна склона, град | а) до 15 б) до 30 в) до 45 г) до 60 д) более 60 | 0 20 45 70 100 | 0 10 25 55 80 | |
| H3 | Степень насыщения грунтовыми водами | а) видимых проявлений нет б) выход УГВ в подножье склона в) выход струйных течений г) водонасыщенные грунты д) рыхлые сильно водонасыщенные | 0 15 35 60 90 | 0 10 25 45 70 | |
| H4 | Размыв основания склона рекой | а) размыв отсутствует б) грунты обнажены, боковая эрозия в) активная переработка основания склона | 0 15 35 | 0 10 25 | |
| H5 | Колебания уровня реки, в % от высоты склона | а) отсутствует б) до 25 в) до 50 г) до 75 д) более 75 | 0 5 10 20 30 | 0 5 10 15 20 | |
| H6 | Растительный покров | а) залесен и задернован в) задернован, имеются единичные деревья г) слабо задернован д) растительный покров отсутствует | 0 5 15 30 | ||
| H7 | Экспозиция склона | а) Южная в) Западная или Восточная г) Северная | 0 5 10 | ||
| H8 | Интенсивность проявления процессов выветривания | а) отсутствуют б) слабые в) средние г) сильные | 0 5 10 20 | ||
| H9 | Трещины отрыва | а) отсутствуют б) сеть незначительных трещин в) формирующиеся трещины отрыва < 5 см г) сформировавшиеся трещины отрыва > 5 см д) стенки срыва грунта | 0 15 45 70 100 | ||
| H10 | Количество полос автомобильной дороги | а) не оказывает влияния б) 1 в) 2 г) 3 д) 4 и более | 0 5 10 20 30 | ||
| H11 | Состояние подпорных стен | а) исправное б) работоспособное в) ограниченно работоспособное г) аварийное | 0 5 30 70 | ||
Окончание таблицы 2
| Коэфф. | Влияющие факторы | Краткое описание | Оценочный балл | |
| Песч. грунты | Глин. грунты | |||
| H12 | Состояние вспомогательных сооружений | а) исправное б) работоспособное в) ограниченно работоспособное г) аварийное | 0 5 10 20 | |
| D | Активность оползневого процесса | а) стабилизированный б) временно стабилизированный в) активно развивающийся | 0,7 1 1,3 | 0,8 1,1 1,4 |
| V | Категория вероятности смещения | а) V5 б) V4 в) V3 г) V2 д) V1 | < 100 < 180 < 260 < 340 340 | |
Таблица 3 – Коэффициенты возможного ущерба
| Коэфф. | Влияющие факторы | Краткое описание | Оценочный балл | |
| Песч. грунты | Глин. грунты | |||
| B1 | Значимость автомобильной дороги | а) местная (Н) б) межмуниципальная (Р) в) региональная (А) г) федеральная (М) д) международная (E) | 10 15 25 35 50 | |
| B2 | Протяженность участка вдоль дороги, м | а) отсутствует б) до 10 в) до 20 г) до 50 д) до 100 е) более 100 | 0 15 25 35 45 60 | |
| B3 | Степень возможного повреждения полотна автомобильной дороги | а) отсутствует б) захват обочины в) захват участка дороги до 25% г) захват до 50% проезжей части д) захват до 75% проезжей части е) захват более 75% проезжей части | 0 10 25 50 75 100 | |
| B4 | Ориентировочная мощность оползня, м | а) отсутствует б) до 1 в) до 3 г) до 5 д) до 7 е) более 7 | 0 10 15 20 30 40 | |
| B5 | Угроза прилегающим объектам | а) отсутствует б) незначительные хозяйственные объекты в) инженерные коммуникации г) промышленные и жилые здания | 0 15 50 100 | |
| C | Категория возможного ущерба | а) C5 б) C4 в) C3 г) C2 д) C1 | < 60 < 100 < 140 < 180 180 | |
При анализе геотехнических условий конкретного участка следует придерживаться следующих рекомендаций:
- при невозможности установить тип породы, слагающей склон, или при сложном геоморфологическом строении коэффициент предрасположенности к смещению Hi выбирается наибольший из двух возможных;
- оценку размыва основания рекой H4 также можно осуществить по осредненной крутизне и учесть соответственно коэффициентом H2;
- степень воздействия эрозии и выветривания H8 оценивается исходя из их влияния на подготовку оползневого смещения на участке;
- в случае, если подпорные стены или вспомогательные сооружения инженерной защиты отсутствуют, то в таблицу вносятся нулевые значения H11 и H12.
Согласно получившимся суммам баллов, определяются категории вероятности смещения V и возможного ущерба C. Цена каждой ступени назначена, исходя из анализа данных визуального обследования большого количества оползневых участков автомобильных дорог в крае. Далее по таблице 4 устанавливается принадлежность рассматриваемой территории к одной из пяти категорий риска: I – «очень высокий», II – «высокий», III – «средний», IV – «низкий», V – «очень низкий».
Таблица 4 – Категория оползневого риска в зависимости от вероятности смещения и возможного ущерба
| Категории возможного ущерба | Категории вероятности смещения | ||||
| V1 | V2 | V3 | V4 | V5 | |
| C1 | I | I | II | IV | V |
| C2 | I | II | III | IV | V |
| C3 | II | III | III | IV | V |
| C4 | IV | IV | IV | IV | V |
| C5 | V | V | V | V | V |
Участки I и II категории имеют признаки, свидетельствующие об исчерпании несущей способности грунтового массива. На данных участках требуется реализация срочных мер по стабилизации оползневых процессов, а эксплуатация дороги должна быть по возможности приостановлена или ограничена. При этом для I категории необходимо устройство временных креплений для предотвращения лавинообразного роста деформаций.
На участках III категории опасность внезапной потери устойчивости отсутствует. Комплексная защита необходима только на ограниченной территории, основные мероприятия направлены на предотвращение развития оползнеобразующих факторов (регулирование стока поверхностных вод, устройство дренажей мелкого заложения, противоэрозионная защита, лесопосадочные мероприятия и др.).
Участки IV категории располагаются в сравнительно благоприятных условиях: небольшие уклоны поверхности, размыв основания склона отсутствует, оползневой процесс находятся в стадии стабилизации и т. п. На них достаточно ограничиться проведением вспомогательных мероприятий. Для V категории вероятность ущерба от оползневых явлений минимальна, требуются только стандартные мероприятия по содержанию в рамках эксплуатационного обслуживания дороги.
Большую помощь в управлении оползневым риском оказывает мониторинг, одной из задач которого является выдача достоверного прогноза поведения склона. Это позволяет не только следить за участком, но и при необходимости своевременно реализовывать дополнительные защитные мероприятия для предотвращения возникновения аварийных ситуаций в будущем. Состав и периодичность наблюдений предлагается определять исходя из геотехнических особенностей и категории риска исследуемого участка (таблица 5). Стоимость всех работ при этом составляет не более 2% от общей стоимости строительства защитных сооружений и, как правило, находится в пределах от 0,3 до 0,5%.
Таблица 5 – Требуемые мероприятия в зависимости от категории риска
| Категория риска | Требуемые мероприятия | Вид мониторинга | Частота наблюдений |
| I | Устройство временных креплений и постоянных противооползневых сооружений | Непрерывные инструментальные наблюдения | от 2 до 6 раз в сутки |
| II | Устройство противооползневых сооружений | Периодические инструментальные наблюдения | от 1 до 4 раз в месяц |
| III | Устройство вспомогательной инженерной защиты и противооползневых сооружений на ограниченной территории | Геодезические и геофизические наблюдения | от 1 до 4 раз в квартал |
| IV | Устройство вспомогательной инженерной защиты | Маршрутные наблюдения | от 4 до 6 раз в год |
| V | Ремонтные и восстановительные работы, а также наблюдения за участком ведутся в рамках эксплуатационного обслуживания дороги | ||
Предложенная методика в кратчайшие сроки и при недостатке инженерно-геологических изысканий позволяет своевременно выявлять опасные участки, определять их приоритетность для строительства сооружений инженерной защиты, а также назначать соответствующий вид геотехнического мониторинга. К ее минусам можно отнести некоторые упрощения при оценке воздействия различных факторов, а также недоучет нередко сложного многоэтапного сценария развития оползневых процессов. Дальнейшие исследования позволят снизить негативное влияние этих недостатков.
На основании полученных данных разработан ОДМ 218.3.008-2011 «Рекомендации по мониторингу и обследованию подпорных стен и удерживающих сооружений на оползневых участках автомобильных дорог». Нормативный документ введен в действие Федеральным дорожным агентством РОСАВТОДОР в апреле 2011 г.
В четвертой главе представлено внедрение полученных результатов исследования в практику строительства и эксплуатации автомобильных дорог.
На примере участка автомобильной дороги Адлер – Красная Поляна показана необходимость комплексного учета воздействия речного потока на устойчивость склонов. В результате размыва основания правого берега рекой Мзымта на км 19+500 произошло смещение грунтов, приведшее к разрушению обочины и барьерного ограждения дороги. Рассматриваемая территория характеризуется сложными инженерно-геологическими условиями, обусловленными сильной расчлененностью рельефа и комплексом развитых эндогенных (повышенная сейсмичность) и экзогенных (оползни) процессов. Кроме того, долина реки регулярно затапливается в ходе частых паводков.
В качестве долгосрочной защиты земляного полотна предлагается устройство габионного берегоукрепления, общей протяженностью 148 м. Для оценки устойчивости склона и сооружения использовался метод предельного равновесия Моргенштерна – Прайса, а динамическое положение грунтовых вод определялось методом конечных элементов. Результаты расчетов показали, что при прохождении паводка обеспеченностью 1% коэффициент устойчивости оказывается более чем на 10% ниже, чем при сейсмическом воздействии 9 баллов.
Из данного примера видно, что хотя воздействие паводка и не является основным оползнеобразующим фактором, однако в некоторых случаях (берега горных рек с узкими долинами) оно может оказаться достаточно значительным и стать определяющим при проектировании берегоукрепительных мероприятий. Таким образом, комплексный учет влияния речного потока позволяет обеспечить более высокую надежность сооружений инженерной защиты на участках автомобильных дорог. Строительно-монтажные работы (СМР) на км 19+500 начнутся в первом квартале 2012 г.
Полуколичественный метод оценки риска наиболее эффективен при исследовании большого количества оползневых участков. Разработанная методика апробирована в ходе диагностики автомобильных дорог регионального значения Туапсинского, Апшеронского и Горячеключевского районов Краснодарского края. С ее помощью в кратчайшие сроки и при минимуме данных инженерно-геологических изысканий оценена степень риска 136 участков, среди которых выделено 28 наиболее опасных. По результатам работ определен ориентировочный состав защитных мероприятий, разработаны соответствующие программы геотехнического мониторинга и составлена карта риска (рисунок 3).
Рисунок 3 – Фрагмент карты оползневого риска на автомобильных дорогах регионального и межмуниципального значения Краснодарского края
Для сравнения воспользуемся методом оценки оползневой опасности балльными коэффициентами, предложенным Мацием С. И. и Безугловой Е. В. в 2008 г. Как видно из рисунка 4, при его применении образуется неравномерное распределение участков и стоимости защитных мероприятий по категориям риска. При этом необходимо отметить, что участки I категории отсутствуют. То есть, для отнесения территории к наиболее опасной категории требуется максимальное развитие абсолютно всех оползнеобразующих факторов. Однако в реальной ситуации смещение грунтов может быть вызвано всего несколькими факторами при незначительном воздействии остальных. В разработанной методике данный дисбаланс отсутствует.
Рисунок 4 – Распределение стоимости СМР по категориям риска: 1 – по методике Мация С. И. и Безугловой Е. В., 2 – по предлагаемой методике
Рассмотрим оползнеопасный участок автомобильной дороги
г. Майкоп – г. Туапсе, км 60+900. По результатам анализа его природно-технических условий по предлагаемой методике степень риска определена как «высокая», а по существующей – как «средняя». С целью верификации полученных данных в июле 2011 г. произведено повторное обследование данной территории. За прошедшие пять месяцев произошло дальнейшее развитие оползневого процесса, что привело к просадке и разрушению более половины проезжей части. Отсюда можно сделать вывод, что предлагаемая методика более подходит для полуколичественной оценки риска на автомобильных дорогах Краснодарского края.
В рамках масштабной подготовки к проведению Сочинской олимпиады 2014 г. осуществляется строительство Дублера Курортного проспекта, который позволит значительно уменьшить нагрузку на транспортную инфраструктуру города. Одним из его ключевых узлов является автомобильная развязка, располагающаяся в междуречье Агура – Бзугу и соединяющая Дублер с автомобильной дорогой Джубга – Сочи.
Трасса дороги проложена вдоль морского побережья с выходом на увал, где ее ось плавно врезается в склон более чем на 10 м. Из неблагоприятных физико-геологических процессов на территории строительства представлены: оползни, крип и выветривание коренных пород. Для защиты от воздействия опасных геологических процессов запроектировано свайно-анкерное удерживающее сооружение общей длиной 250 м.
Согласно предложенной методике данный участок относится к II категория риска, следовательно, за ним требуется вести регулярные наблюдения. В состав разработанной программы работ по мониторингу входят: инклинометрические и пьезометрические измерения, контроль напряженного состояния сооружения с помощью датчиков линейной деформации, а также регулярные геодезические и геофизические изыскания.
Полученная на сегодняшний день информация свидетельствует о том, что система «автомобильная дорога – защитное сооружение – грунтовый массив» находится в устойчивом состоянии. Обильные осадки в марте 2011 г. стали причиной активизации неглубокого оползня с верховой стороны, однако после прекращения дождей ситуация стабилизировалась. Удерживающее сооружение обладает достаточным запасом несущей способности для защиты нижележащей автомобильной магистрали, дополнительных мероприятий не требуется. Разработанная на основе оценки оползневого риска система геотехнического мониторинга полностью обеспечивает безопасную эксплуатацию транспортной развязки «Агура».
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- На основе результатов обследования 136 участков автомобильных дорог и расчетов устойчивости однородных склонов получены коэффициенты значимости для основных оползнеобразующих факторов. Наибольшее влияние оказывают деятельность грунтовых вод и уклон дневной поверхности склона: их общее воздействие составляет более 48%.
- Определены характер и степень воздействия паводков на устойчивость подтопляемых склонов, как одного из оползнеобразующих факторов. Уменьшение коэффициента устойчивости составляет от 10% до 25% для случая максимального подтопления, при этом продолжительность подъема уровня воды в реке влияет незначительно. Влияние паводка в некоторых случаях может оказаться достаточно значительным и стать определяющим при проектировании инженерной защиты.
- Усовершенствованная методика полуколичественной оценки оползневого риска на автомобильных дорогах позволяет своевременно выявлять аварийные участки, эффективно планировать объемы работ по эксплуатации, а также определять приоритетность при строительстве сооружений инженерной защиты.
- Разработанные рекомендации по управлению риском на основе комплексного геотехнического мониторинга позволяют следить за ситуацией на участке и при необходимости своевременно реализовывать дополнительные технические решения. Состав мероприятий и периодичность снятия показаний определяются в зависимости от категории оползневого риска. Их ориентировочная стоимость составляет не более 2% от общей стоимости строительства противооползневых сооружений и, как правило, находится в пределах от 0,3 до 0,5%.
- Предложенная методика апробирована и внедрена:
- при проектировании мероприятий инженерной защиты на участке автомобильной дороги А-149 Адлер – Красная Поляна;
- при диагностике оползневых участков на автомобильных дорогах Туапсинского, Апшеронского и Горячеключевского районов;
- при мониторинге за удерживающими сооружениями на транспортной развязке «Агура» в районе г. Сочи.
- На основании полученных данных разработан и издан ОДМ 218.3.008-2011 «Рекомендации по мониторингу и обследованию подпорных стен и удерживающих сооружений на оползневых участках автомобильных дорог».
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:
- Любарский Н. Н., Маций С. И. Полуколичественная оценка риска на оползневых участках автомобильных дорог // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Краснодар : КубГАУ, 2011. Вып. 4 (31). С. 249–254.
- Любарский Н. Н., Маций С. И. Влияние речного потока на устойчивость склонов автомобильных дорог в Краснодарском крае // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Краснодар : КубГАУ, 2011. Вып. 6 (33). С. 136–139.
Публикации в других изданиях, материалах конференций:
- Любарский Н. Н., Маций С. И. Защита берегов рек от оползней, вызванных подмывами // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. аспирантов, докторантов и молодых ученых. Майкоп : МГТУ, 2009. С. 19–22.
- Любарский Н. Н., Маций С. И. Факторы, влияющие на оползневую устойчивость речного склона // Научное обеспечение агропромышленного комплекса : материалы 3 Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. Краснодар : КубГАУ, 2009. С. 410–411.
- Выбор программы мониторинга на основе оценки риска / Н. Н. Любарский [и др.] // Городские агломерации на оползневых территориях : материалы V Междунар. конф. по геотехнике. Волгоград :
ВолгГАСУ, 2010. С. 407–412. - Любарский Н. Н., Маций С. И. Оценка влияния паводка на устойчивость речных склонов // Городские агломерации на оползневых территориях : материалы V Междунар. конф. по геотехнике. Волгоград : ВолгГАСУ, 2010. С. 412–418.
- Любарский Н. Н., Маций С. И. Изменение устойчивости речных склонов при прохождении паводка // Научное обеспечение агропромышленного комплекса : материалы 4 Всерос. науч.-практ. конф. молодых
ученых. Краснодар : КубГАУ, 2010. С. 457–458. - Мониторинг противооползневых мероприятий на железных дорогах / Н. Н. Любарский [и др.] // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог : тр. VII науч.-техн. конф. с междунар. участием. М. : ГУП РМ «Красный октябрь», 2010. С. 43–46.
- Любарский Н. Н., Маций С. И., Герелис А. В. Проведение комплексного геотехнического мониторинга оползневых процессов в г. Сочи // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. аспирантов, докторантов и молодых ученых. Майкоп : МГТУ, 2011. Т. 1. С. 160–164.
- Любарский Н. Н., Маций С. И., Бычихин А. С. Методика оценки технического состояния подпорных стен по внешним признакам // Геотехника. 2011. № 5. С. 30–37.
- Любарский Н. Н., Маций С. И. Геотехнический мониторинг на транспортной развязке «Агура» в районе г. Сочи // Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства : материалы
Междунар. конф. Пермь : ПНИПУ, 2011. С. 297–302.
Отраслевые дорожные методические документы
- Рекомендации по мониторингу и обследованию подпорных стен и удерживающих сооружений на оползневых участках автомобильных дорог / Н. Н. Любарский [и др.] // ОДМ 218.3.008-2011. М. : ФГУП Информавтодор, 2011. 47 с.
| Подписано в печать 23.12.2011 г. Бумага офсетная Печ. л. 1 Тираж 120 экз. | Формат 6084 1/16 Офсетная печать Заказ №925 |
| Отпечатано в типографии Куб ГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13. | |
