Оценка оползневого риска линейных транспортных сооружений
На правах рукописи
ПЛЕШАКОВ ДМИТРИЙ ВАДИМОВИЧ
ОЦЕНКА ОПОЛЗНЕВОГО РИСКА
ЛИНЕЙНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2013
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 Столяров Виктор Васильевич, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., заведующий кафедрой «Транспортное строительство» |
| Кандидат технических наук, доцент Ивасик Дмитрий Владимирович, ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, доцент кафедры «Изыскания и проектирование транспортных сооружений» | |
| Ведущая организация: | Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) |
Защита состоится «31» октября 2013 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан « » 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Т. К.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертационной работы. На предварительных стадиях проектирования противооползневых мероприятий объектов транспортного строительства, при отсутствии детальных инженерно-геологических изысканий, требуется классифицировать объекты по степени оползневой опасности и риска. Существующие в настоящее время инструкции и другие нормативные документы не содержат единой методики по оценке и управлению оползневым риском, а рекомендации не имеют теоретического обоснования.
При выборе противооползневых мероприятий требуется определить оптимальный баланс между увеличением экономичности и эффективности объекта, с одной стороны, и соответствующим ростом риска, с другой. Применение вероятностного подхода позволит учитывать изменчивость свойств грунтов и определять количественные выражения оползневой опасности и риска оползневых смещений.
Согласно СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства, в отчете по инженерно-геологическим изысканиям должна быть дана оценка опасности и риска от геологических и инженерно-геологических процессов. Наличие разработанной и обоснованной методики по управлению оползневым риском позволит выбрать надежное решение на каждой стадии проектирования объектов транспортного строительства.
Целью диссертационной работы является разработка и внедрение в практику строительства комплексной методики оценки и управления оползневым риском на объектах линейных транспортных сооружений и рекомендаций по проектированию мероприятий инженерной защиты от оползневых воздействий.
Для достижения поставленной цели нужно решить задачи:
- Проанализировать основные вопросы, возникающие при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог и прилегающих объектов на оползнеопасных территориях.
- Оценить неопределенности исходных данных и результатов расчета устойчивости откосов на основе вероятностного моделирования.
- Провести сравнительный анализ вероятностных методов при расчетах устойчивости откосов.
- Определить область рационального применения различных методов оценки оползневого риска при анализе надежности и устойчивости объектов транспортного строительства.
- Определить совокупность основных факторов формирования и развития оползневых явлений с учетом их относительной степени влияния.
- Разработать комплексную методику оценки и управления оползневым риском на объектах линейных транспортных сооружений с учетом стадийности проектирования.
Достоверность результатов диссертационных исследований, выводов и положений разработанной методики подтверждена сопоставлением с фактическими инженерно-геологическими условиями исследованных склонов и откосов, практикой применения предложенных методик при проектировании реальных ныне существующих противооползневых сооружений, а также использованием современных программных комплексов и базы данных о физико-механических свойствах грунтов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработаны параметры весовых характеристик с учетом их относительной степени влияния, которые позволяют оценить степень оползневого риска транспортных сооружений;
- выполнен анализ устойчивости оползневых склонов на основании вероятностных и детерминированных подходов;
- предложена система полуколичественной оценки оползневого риска с помощью табличных форм и поправочных коэффициентов;
- на основании численного эксперимента определена рациональная область применения различных вероятностных методов при анализе надежности и устойчивости оползнеопасных участков транспортных сооружений;
- уточнена область применения различных методов оценки оползневого риска на территориях транспортных сооружений;
- разработана методика комплексного инженерного управления оползневым риском на объектах транспортного строительства с учетом стадийности проектирования.
Практическая значимость работы. Разработанные методики оценки степени оползневой опасности и риска склонов и откосов на объектах транспортного строительства обеспечивают принятие обоснованных решений на всех стадиях проектирования мероприятий по инженерной защите.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: инженерно-строительного факультета Кубанского ГАУ (Краснодар, 2005-2008); Региональных конференциях (Краснодар, 2005) Всероссийских конференциях (Москва, 2006; Краснодар, 2007); Международных геотехнических конференциях (Равелло, 2005; Санкт-Петербург, 2006; Лиллехаммер, 2006; Волгоград, 2008; Вена, 2008; Ноттингем, 2008).
Личный вклад автора заключается в:
- анализе и определении рациональной сферы применения различных методов оценки риска на оползневых территориях;
- выполнении оценки оползневого риска на объектах транспортных сооружений;
- проведении обследований оползневых и оползнеопасных
участков автомобильных дорог; - разработке методик полуколичественной оценки оползневого риска на основе системы балльных весовых коэффициентов, а также с применением табличных форм и поправочных коэффициентов;
- разработке методики управления оползневым риском на
объектах транспортного строительства.
На защиту выносятся:
- результаты сравнительного анализа вероятностных методов при расчетах устойчивости откосов;
- результаты исследования устойчивости и надежности оползнеопасных участков транспортных сооружений полуколичественными и количественными методами оценки риска;
- система весовых балльных характеристик для оценки оползневого риска полуколичественными методами;
- методика вероятностной оценки с помощью табличных форм и поправочных коэффициентов;
- методика и рекомендации комплексного инженерного управления оползневым риском транспортных сооружений с учетом стадийности проектирования.
Реализация работы. Предложенные методики были использованы при оценке оползневого риска и проектировании инженерной защиты ряда ответственных объектов транспортного строительства на территории Российской Федерации, таких как вдольтрассовые автомобильные дороги к нефтепроводам и газопроводам «Голубой поток» и «Сахалин-2», автомобильные дороги регионального значения г. Сочи, федеральные автомобильные дороги А-148 Адлер – Красная Поляна, Джубга – Сочи (Новороссийск-Тбилиси-Баку); участки железных дорог в районе ст. Тамань Темрюкского района Краснодарского края и других.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов общим объемом 148 страниц, включает в себя 63 рисунка и 18 таблиц, а также список использованных источников из 109 наименований.
Теоретические, а также инженерно-геологические исследования объектов проведены под руководством доктора технических наук, профессора кафедры строительных материалов и конструкций Кубанского государственного аграрного университета
Мация Сергея Иосифовича, которому выражаю искреннюю благодарность за постоянное внимание к работе. Автор признателен за помощь при выполнении исследований доктору геолого-минералогических наук, Заслуженному строителю РФ Константину Шагеновичу Шадунцу и кандидату технических наук, доценту
кафедры строительных материалов и конструкций Екатерине Вячеславовне Безугловой.
ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении выполнено обоснование актуальности, практической значимости и достоверности выносимых на защиту результатов исследований, поставлены цель и задачи, выявлена научная новизна, дан обзор апробации, публикации и внедрения предлагаемых методик, указан личный вклад диссертанта, приведены результаты.
В первой главе диссертации дается анализ выявленных вопросов строительства и эксплуатации транспортных сооружений в условиях оползневой опасности и возможных путей их решения.
Вопросы оценки устойчивости склонов и откосов дорожно-транспортных сооружений в различных инженерно-геологических условиях рассмотрены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных исследователей: А. А. Бартоломея, А. Н. Богомолова, Л. К. Гинзбурга, Р. Э. Дашко, Э. М. Доброва, Е. П. Емельяновой,
В. Д. Казарновского, Н. Н. Маслова, С. И. Мация, С. Р. Месчяна,
В. И. Осипова, Л. П. Петровой-Ясюнас, Г. П. Постоева, А. Л. Рагозина, В. Н. Синякова, Л. Р. Ставницера, Г. И. Тер-Степаняна,
В. Г. Федоровского, В. К. Цветкова, К. Ш. Шадунца, Г. М. Шахунянца, П. Ламба, К. С. Ли, Н. Моргенштерна, А. У. Скемптона,
К. Терцаги, Р. Фелла, М. Е. Харра, Д. Хенкеля, Р. Чоудхари,
Л. Шукле и других.
В настоящее время возросла техногенная нагрузка, в том числе от воздействия транспортных средств на горные массивы, что приводит к активизации неблагоприятных инженерно-геологических процессов и возникновению чрезвычайных ситуаций. Выявлена проблема инженерной защиты не только автомобильных дорог, но и обеспечения безопасной эксплуатации прилегающих объектов. Выполнен обзор основных методов и определена роль вероятностного анализа в оценке оползневого риска.
Во второй главе проанализированы возможные неопределенности при моделировании оползневых процессов, выбраны основные параметры расчетных схем и выполнены вероятностные расчеты устойчивости однородного и неоднородного откосов, оценена неопределенность результатов и обоснованы причины наличия погрешностей при использовании различных расчетных методов.
К неопределенностям, влияющим на результаты геотехнического анализа устойчивости склонов и откосов, можно отнести:
- сложность, непредсказуемость техно-природных процессов;
- разнообразие и сложность механизмов смещений грунта;
- упрощенность моделей и расчетных схем;
- приближенность исходных данных и т. п.
Вероятностное моделирование и анализ надежности результатов позволяют вычислить вероятность обрушения Р откоса и оценить неопределенность коэффициента устойчивости Ку. Для выражения степени неопределенности используется индекс надежности и применяются различные подходы, основанные на методах точечной оценки (РЕМ), Монте – Карло, второго момента первого порядка (FOSM) и др. Индекс надежности определим по формуле:
| = (Куср. – 1,0) / (Куср.), | (1) |
где Куср. – среднее значение коэффициента устойчивости склона, (Куср.) – стандартное отклонение коэффициента устойчивости.
Каждый из методов требует различных вычислительных усилий, обеспечивает различный уровень точности и дает различное представление о влиянии параметров вероятностной оценки. Кроме того, некоторые из подходов позволяют получить значения индекса надежности и дальнейшее представление о распределении функции, необходимое для получения вероятности обрушения.
В качестве тестовых примеров проведен анализ устойчивости однородного и двухслойного откосов, сложенных глинистым грунтом и имеющих уклон дневной поверхности 30°. Расчеты выполнены в программном комплексе Slope/W (лицензия № 94573) с использованием четырех методов: Ordinary, Bishop, Janbu и GLE (общего предельного равновесия). Неопределенность результатов оценена вероятностными методами FOSM и Монте – Карло.
В таблице 1 представлены параметры физико-механических свойств грунта однородного откоса. В сводной таблице 2 приведены результаты расчетов.
Для оценки неопределенности выполнена серия расчетов и построены графические зависимости выходных параметров от изменчивости входных параметров, а также применяемого расчетного и вероятностного методов. Аналогичные исследования проведены для двухслойного откоса. Анализ полученных результатов показал:
- Вероятностное моделирование, по сравнению с детерминированным, позволяет учесть ряд неопределенностей исходных данных и оценить надежность результата расчета устойчивости.
Таблица 1 – Параметры физико-механических свойств грунта откоса
| Параметр | Среднее значение | Стандартное отклонение (SD) | Наименьшее значение | Наибольшее значение |
| Сцепление, с, кПа | 15 | 2 | 5 | 25 |
| Угол внутреннего трения,, град | 10 | 0,5 | 7,5 | 12,5 |
| Удельный вес,, кН/м3 | 18 | 0,1 | 17,5 | 18,5 |
Таблица 2 – Результаты вероятностного расчета устойчивости откоса
| Метод расчета | Ordinary | Bishop | Janbu | GLE |
| Средняя величина Ку | 1,584 | 1,645 | 1,541 | 1,643 |
| Наименьшая величина Ку | 0,916 | 0,983 | 0,895 | 0,981 |
| Наибольшая величина Ку | 2,124 | 2,183 | 2,070 | 2,181 |
| Индекс надежности | 3,739 | 4,130 | 3,521 | 4,116 |
| Вероятность обрушения, % | 0,1 | 0,05 | 0,15 | 0,05 |
- Для анализа результатов вероятностных и детерминированных подходов рассмотрено 177 оползневых участков. Выявлено, что для 56 случаев детерминированный расчет дает коэффициент устойчивости выше нормированного. При этом вероятностные расчеты для 138 случаев показали высокую вероятность обрушения.
- Влияние изменчивости физико-механических свойств грунта на устойчивость однородного и двухслойного откосов выражается линейной зависимостью, при этом результаты, полученные с использованием различных расчетных методов (Ordinary, Bishop, Janbu, GLE), имеют удовлетворительную сходимость.
- Использование вероятностного моделирования FOSM и Монте – Карло в оценке параметров устойчивости откосов дает удовлетворительную сходимость результата (индекса надежности) для упрощенных методов расчета, таких как Ordinary, Bishop (рисунок 1), а в случае двухслойного откоса – и Janbu.
- Вероятностное моделирование на основе расчетного метода GLE имеет некоторое расхождение результатов при оценке индекса надежности, полученных FOSM и Монте – Карло (рисунок 2), что связано с уточнением функций распределения межотсековых сил.
- Применение вероятностного моделирования Монте – Карло, по сравнению с FOSM, может повысить надежность результата расчета устойчивости откосов из-за большего объема вычислений при обработке исходных данных.
 |
Рисунок 1 – Зависимость индекса надежности, полученного методами Монте – Карло и FOSM для однородного откоса, от
коэффициента вариации сцепления при коэффициентах вариации угла внутреннего трения 0,1 и удельного веса 0,01 (метод Ordinary)
 |
Рисунок 2 – Зависимость индекса надежности, полученного
методами Монте – Карло и FOSM для однородного откоса, от
коэффициента вариации сцепления при коэффициентах вариации угла внутреннего трения 0,1 и удельного веса 0,01 (метод GLE)
В третьей главе выполнен анализ основных методов оценки оползневого риска и определены сферы их применения на стадиях предпроектных проработок и проекта на транспортных объектах, приведены результаты апробации различных методик на реальных оползневых участках автомобильных дорог.
Существуют различные подходы к оценке оползневого риска. Применительно к транспортным сооружениям можно выделить:
- зонирование территории;
- применение табличных форм;
- диагностика участков трасс;
- использование методики наименьших потерь и др.
Предметом исследования с применением метода зонирования на стадиях предпроектных проработок и проекта выбран объект строительства сооружений инженерной защиты подъездной автомобильной дороги к резервуарному парку в районе поселка Волна Краснодарского края. Территория была условно разделена на участки, для которых определялись: уровень опасности, вероятность обрушения, возможные негативные последствия и уязвимость. Показатель риска RN для каждого участка вычислялся перемножением вышеуказанных факторов (таблица 3), по формуле:
| RN = H х P х R х V, | (2) |
где H – опасность, P – вероятность обрушения, R – показатель возможных негативных последствий, V – уязвимость.
При сравнении показателей риска участки подразделялись на классы (таблица 3). Методика позволила выявить наиболее опасные участки (класс риска 4 и 5), требующие усиления. В результате исследований определен комплекс защитных мероприятий подъездной автомобильной дороги и склона от оползневых процессов.
Таблица 3 – Оценка оползневого риска методом зонирования
| Участки | H, опасность | P, вероятность обрушения | R, потери | V, уязвимость | RN, риск | Класс риска |
| A | 3 | 3 | 2 | 2 | 36 | 3 |
| B | 3 | 3 | 3 | 3 | 81 | 4 |
| C | 3 | 3 | 4 | 3 | 108 | 4 |
| D | 3 | 3 | 4 | 4 | 144 | 5 |
| E | 2 | 3 | 3 | 3 | 54 | 3 |
Методика оценки риска с применением табличных форм заключается в том, что, прежде всего, определяется относительная средняя вероятность обрушения откоса в пределах всей территории исследуемого оползнеопасного региона. Затем, используя систему корректирующих коэффициентов, вычисляется вероятность обрушения искомого откоса Pe по формуле:
| Pe = F1 x F2 x F3 x F4 x F5, | (3) |
где F1, F2, F3, F4, F5 – независимые поправочные коэффициенты, полученные эмпирическим путем по результатам обследования десятков оползнеопасных склонов с учетом их инженерно-геологических и гидрогеологических условий.
В проекте «Сахалин-2» требовалось оценить относительную степень опасности и риска около пятидесяти оползнеопасных склонов на участках проектирования и строительства вдольтрассовых дорог магистральных трубопроводов. Рассмотрен участок №106, представляющий блоковый оползень мощностью до 9 м, длиной в плане порядка 180 м, шириной около 40 м. В таблице 4 приведены результаты оценки вероятности обрушения оползнеопасного участка №106. Расчеты показали, что вероятность обрушения исследуемого откоса находится в диапазоне от 1,6% до 36,1%.
На стадии разработки рабочей документации были выполнены детальные полевые и лабораторные исследования, на основе которых проводились вероятностные расчеты методом Монте – Карло (таблица 5). Исследования показали хорошую сходимость результатов предложенного полуколичественного подхода с вероятностными расчетами (рисунок 3).
Аналогичные оценки выполнены и для остальных оползнеопасных участков подъездных дорог и других проектируемых
объектов трубопроводов «Сахалин-2». На основании проведенных исследований рекомендован комплекс инженерных мероприятий, включающий устройство откосов с бермами в сочетании с противоэрозионными покрытиями и дренажными сооружениями.
Таблица 4 – Применение методики табличных форм и поправочных коэффициентов (МТФПК) на примере откоса №106 вдольтрассовой автомобильной дороги (проект «Сахалин-2»)
| Поправочный коэффициент, F | Диапазон значений, характеристика | Участок №106 |
| Трещины отрыва (F1) | 1,10 – незначительные; 1,25 – средние; 1,45 – крупные. | 1,10 |
| Высота (F2) | 0,5 – до 2 м; 0,6 – 2,5; 0,8 – 4; 1,0 – 6; 1,1 – 8; 1,2 – 12; 1,3 – 20; 1,5 – >25. | 1,20 |
| Уклон (F3) | 0,6 – 30; 0,8 – 35; 0,9 – 40; 1,0 – 45; 1,2 – 50; 1,3 – 60; 1,4 – 70; 1,6 – >70. | 1,30 |
| Мощность опасных процессов (F4) | 0,7 – до 2 м; 1,.0 – 2,3; 1,2 – 3,5; 1,3 – 5,7; 1,4 – >7. | 1,30 |
| Эрозионные процессы (F5) | 0,8 – слабая; 1,0 – средняя; 1,2 – сильная. | 1,00 |
| Растительность (F6) | 0,9 – склон залесен; 1,0 – луговая растительность; 1,15 – нет. | 1,00 |
| Грунтовые воды (F7) | 1,1 – 1/3 часть склона; 1,2 – 2/3 части склона; 1,45 – полное водонасыщение. | 1,45 |
| Итоговый поправочный коэффициент | F = F1 x F2 x F3 x F4 x F5 x F6 x F7 x Pср* | 3,235 |
| Средняя вероятность | Pср* | 0,102 |
| Вероятность обрушения откоса (№ 106) | Pср* x F | 0,330 |
Примечание – Pср* – средняя величина вероятности обрушения в оползнеопасном регионе (оценивается по системе балльных весовых коэффициентов СБВК на основе 1 категории риска)
Таблица 5 – Данные для вероятностного расчета устойчивости
откоса №106 вдольтрассовой автомобильной дороги («Сахалин-2»)
| Грунт | Удельный вес, кН/м3 | Сцепление c, кПа | Угол внутреннего трения, град |
| 12а – глины | 19.10 (SD=0.10) | 20.00 (SD=3.68) | 10.00 (SD=1.41) |
| 15а – суглинок | 18.40 (SD=0.07) | 17.30 (SD=3.18) | 7.00 (SD=0.99) |
| 16а – суглинок | 18.70 (SD=0.05) | 14.50 (SD=2.67) | 11.00 (SD=1.55) |
| 29 – суглинок | 19.70 (SD=0.11) | 16.20 (SD=2.98) | 14.00 (SD=1.97) |
| 31 – галечник | 19.10 (SD=0.06) | 7.40 (SD=1.36) | 28.00 (SD=3.95) |
Рисунок 3 – Поперечный разрез оползнеопасного участка №106 (ПК 204) вдольтрассовой автомобильной дороги («Сахалин-2»)
Диагностирование участков автомобильных дорог выполнялось на территории Краснодарского края в Туапсинском и Апшеронском районах, а также в г. Сочи. Обследовано 175 оползнеопасных склонов на дорогах регионального значения. В ходе диагностики нами разработан метод, основанный на системе балльных весовых коэффициентов (СБВК), который позволяет оценить оползневой риск при исследовании большого количества оползнеопасных склонов на стадиях предпроектных проработок. Для этого рассмотрен ряд факторов, способствующих развитию оползневой опасности и возникновению риска. Каждому фактору присваивались относительные коэффициенты от 1 до 10 (как показано в таблице 6), величины которых получены эмпирически путем анализа результатов обследований оползнеопасных склонов.
Таблица 6 – Классификация оползневых участков автомобильных дорог на основе факторов риска
| № п/п | Факторы оползневого риска | Наименование участка автомобильной дороги | ||||
| Макопсе –Наджиго, км 5+300 | Лазаревское –– а. Кирова, км 9+400 | Дагомыс – Солох аул, км 7+500 | Подъезд к с. Красная Воля, км 1+100 | Веселое – Нижняя Шиловка, км 6+900 | ||
| 1 | Категория дороги | 4 (IV) | 4 (IV) | 4 (IV) | 4 (IV) | 4 (IV) |
| 2 | Степень повреждения дорожного полотна | 6 (+) | 3 (+) | - (-) | - (-) | 6 (+) |
| 3 | Наличие трещин отрыва, их раскрытие | 3 (+) | 3 (+) | 3 (+) | 6 (+) | 6 (+) |
| 4 | Протяженность участка | 8 (120 м) | 3 (40 м) | 2 (20 м) | 2 (15–20 м) | 4 (50–60 м) |
| 5 | Высота склона | 4 (5–7 м) | 8 (20 м) | 5 (10 м) | 8 (20–25 м) | 4 (5–6 м) |
| 6 | Уклон оползнеопасного участка | 6 (60) | 4 (40) | 6 (60) | 8 (60–65) | 5 (45) |
| 7 | Подмыв берега рекой | 4 (+) | - (-) | 4 (+) | - (-) | 4 (+) |
| 8 | Растительность на склоне | 1 (+) | 2 (+) | 1 (+) | 1 (+) | 2 (+) |
| 9 | Наличие мероприятий инженерной защиты и уровень повреждения | 4 (+) | - (-) | - (-) | - (-) | - (-) |
| 10 | Угроза жилым объектам и населению | - (-) | - (-) | - (-) | - (-) | - (-) |
| 11 | Техногенный фактор | - (-) | - (-) | - (-) | - (-) | - (-) |
Окончание таблицы 6
| Суммарный показатель риска | 40 | 27 | 25 | 28 | 35 | |
| Категория риска | I | IV | V | III | I |
На рисунке 4 представлено распределение величины риска и стоимости мероприятий инженерной защиты. В зависимости от величины интегрального показателя риска определены соответствующие категории: участки первой категории – самые опасные в оползневом отношении, пятой – не имеют видимых признаков проявления оползневой активности (устойчивые).
Предлагаемый подход по системе СБВК позволяет в кратчайшие сроки, при минимальных трудовых и материальных затратах, на стадиях предпроектных проработок и проекта определить категории оползневого риска, классифицировать объекты по приоритетности работ и уровню потенциальных затрат.
Рисунок 4 – Распределение величины риска и стоимости защитных мероприятий на исследуемых участках автомобильных дорог
Методика наименьших потерь (рисунок 5) позволяет получить параметры оползневого риска для прилегающих к трассе объектов:
- индивидуальный риск населения в здании;
- социальный, потенциальный риски негативных последствий;
- распределение степени риска согласно проявлению оползневых процессов в различных частях склона;
- оценить допустимость уровня риска.
Оценка индивидуального риска для населения Рр определяется
 , | (4) |
где PL – частота оползнеобразования в исследуемом регионе; PTL – вероятность проявления оползневых процессов на территории субъекта риска; VPS – уязвимость субъекта к воздействию оползня.
Рассмотрен жилой дом, расположенный в языке оползневого склона ниже (в плане) полотна дороги. В здании, шириной 10 м, проживает семья из четырех человек. Согласно расчетам, уровень индивидуального риска составил 8,85 x 10-3/год. Это превысило допустимый предел для данного случая. На участке автомобильной дороги и прилегающем склоне рекомендовано провести срочные аварийно-восстановительные работы для снижения риска.
Рисунок 5 – График оценки допустимого уровня риска оползня
на участке автомобильной дороги с. Лазаревское – а. Кирова
По результатам исследований и апробации определены сферы применения различных методов оценки оползневого риска на стадиях предпроектных проработок и проекта на участках дорог:
- Для определения оптимальной зоны инженерной защиты объектов транспортного строительства от оползней рекомендуется использовать методику зонирования территории.
- Применение методики табличных форм для оценки показателей риска позволяет прогнозировать вероятность смещения грунтов откосов и склонов транспортных сооружений при минимальных инженерно-геологических данных.
- Диагностирование трасс автомобильных дорог на основе системы балльных весовых коэффициентов обеспечивает в кратчайшие сроки выявление оползнеопасных участков.
- По методике наименьших потерь целесообразно оценивать оползневой риск объектов, примыкающих к трассам.
В четвертой главе выполнена оценка оползневой опасности и риска смещений грунтов оползнеопасных склонов и откосов, приведены рекомендации и комплексная методика по управлению оползневым риском на объектах транспортного строительства.
Инженерно-технический метод управления оползневым риском (рисунок 6) начинается с идентификации опасности, генезиса и механизма развития процесса, интенсивности явления. Прогнозирование опасных геологических процессов наиболее адекватно отражают комплексные вероятностно-детерминированные методы.
Управление оползневым риском на объектах транспортного строительства (рисунок 7) следует осуществлять поэтапно, начиная с освоения территорий под строительство, обоснования инвестиций, разработки проектно-сметной документации, строительства и капитального ремонта. В этом случае, мы вовремя получаем сведения о вероятных проявлениях опасностей, которые повлекут за собой потери различного характера.
Процесс управления оползневым риском рекомендуется осуществлять на основе наименьшего интегрального показателя, который оценивается суммированием составляющих оползневого риска. Для примера проанализировано состояние грунтового массива на участке автомобильной дороги М-27 Джубга – Сочи.
Рисунок 6 – Блок-схема стратегии управления оползневым риском на объектах линейных транспортных сооружений
Рисунок 7 – Комплексная методика управления оползневым
риском с учетом стадийности проектирования защитных
мероприятий на объектах транспортного строительства
Исследуемый участок административно расположен в Хостинском районе г. Сочи на пересечении Курортного проспекта и
ул. 20й Горнострелковой дивизии. На территории развиты следующие неблагоприятные инженерно-геологические процессы:
- размывание паводковыми водами русла р. Бзугу;
- ползучесть глинистых грунтов;
- оползни современные, развитые на теле старых оползней;
- интенсивная обводненность глинистых грунтов;
- наличие специфических (слабых) грунтов;
- высокая сейсмичность территории (9 баллов).
Нами выполнена вариантная проработка проектных решений по устройству противооползневых мероприятий на участке строительства транспортной развязки (км 184, «Стадион») на автомобильной дороге М-27 Джубга – Сочи, Краснодарский край (при строительстве также предусматриваются водоотводные лотки):
- свайно-анкерное удерживающее сооружение;
- двухрядное свайное удерживающее сооружение;
- полуторорядное свайное удерживающее сооружение;
- армогрунтовая стена на свайном основании.
Для перехода к количественной оценке выделены основные составляющие надежности и риска: степень риска, стоимость мероприятий, вероятность обрушения, возможный ущерб. С учетом сложности инженерно-геологических условий, в соответствии с результатами расчетов устойчивости, построен график «вероятности риска» в случае воздействия оползня на сооружение. Суммарный график риска, выраженного комплексным показателем, представлен на рисунке 8.
Анализ вышеназванных факторов риска и надежности показал, что в сложившихся инженерно-геологических условиях безопасная работа исследуемой геотехнической системы достигается при условии возведения свайно-анкерных сооружений: наименьший комплексный показатель риска составляет 0,06. Комплексное использование свай в сочетании с анкерами позволит не только снизить вес сооружения, но и разработать более целесообразную и рациональную его конструкцию для инженерной защиты участка развязки в стесненных дорожных условиях.
Таким образом, для обоснования комплекса противооползневых мероприятий на стадиях предпроектных проработок и
«Проект» предлагается метод оценки риска по критерию наименьшего комплексного показателя. Предлагаемый подход успешно применяется в процессе проектирования противооползневых мероприятий на автомобильных дорогах Краснодарского края.
Рисунок 8 – Оценка оползневого риска при различных вариантах инженерной защиты транспортной развязки (М-27 Джубга – Сочи): 1 – свайно-анкерное сооружение, 2 – двухрядное свайное сооружение, 3 – полуторорядное сооружение, 4 – армогрунтовая стена
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Применение методов расчета устойчивости оползневых склонов на основе вероятностного моделирования позволяет в большей степени, чем детерминированный расчет, учесть неопределенности исходных данных, получить более достоверный результат и предотвратить возникновение аварийных последствий на автомобильных дорогах.
- По результатам исследования 177 оползневых участков на автомобильных дорогах Краснодарского края выявлено, что для 56 случаев детерминированный расчет дает коэффициент устойчивости выше нормированного. При этом вероятностные расчеты для 138 рассматриваемых оползневых участков показали вероятность обрушения выше 34%, что подтверждает необходимость мероприятий инженерной защиты.
- Влияние изменчивости физико-механических свойств грунта на устойчивость однородного и неоднородного откосов, а также индекс надежности, выражается линейной зависимостью. При этом результаты, полученные с помощью различных расчетных методов (Ordinary, Bishop, Janbu, GLE) имеют удовлетворительную сходимость и отличаются не более чем на 10%;
- Анализ устойчивости откосов и склонов, выполняемый на основе вероятностного моделирования методом Монте – Карло, повышает надежность результата, по сравнению с использованием FOSM, в среднем на 23% вследствие большего объема вычислений при обработке исходных данных.
- Оценку оползневого риска на территориях транспортного строительства рекомендуется выполнять на стадиях предпроектных проработок. Для этого разработаны и предложены следующие методики:
- для определения оптимальной зоны инженерной защиты – зонирование территории;
- при прогнозировании вероятности оползневых смещений при минимальных данных изысканий – табличные формы и поправочные коэффициенты;
- в процессе диагностирования участков трасс – систему балльных весовых коэффициентов;
- для оценки риска прилегающих к автомобильным дорогам объектам – методику наименьших потерь;
- По результатам исследования 112 оползневых участков на автомобильных дорогах Краснодарского края в Апшеронском, Туапсинском районах, а также 63 участков г. Сочи с применением разработанных методик оценки риска установлено, что 19% рассматриваемых участков относятся к первой категории риска и требуют незамедлительных ремонтных и аварийно-восстановительных работ, 31% относится ко второй категории риска, 15% - к третьей. Остальные 35% относятся к четвертой и пятой категориям, соответственно не требуют дополнительных мероприятий инженерной защиты. По результатам исследований был разработан и реализован план содержания и капитального ремонта автомобильных дорог Краснодарского края;
- Для комплексного инженерного управления оползневым риском на транспортных сооружениях разработана методика с учетом стадийности проектирования.
- Предложенные методики апробированы и внедрены при проектировании мероприятий по инженерной защите на многих ответственных геотехнических объектах Российской Федерации.
Автором всего опубликовано 13 статей, из них по теме диссертационной работы – 13, из которых 5 – в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Работы по тематике диссертации, опубликованные
в рецензируемых научных журналах и изданиях:
- Плешаков, Д. В. Оценка оползневого риска на основе методики наименьших потерь / Д. В. Плешаков, А. Н. Богомолов,
С. И. Маций // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. – Вып. 8 (27). – C. 22–27. - Плешаков, Д. В. Новые методологические подходы к определению степени оползневого риска в строительстве / Д. В. Плешаков, С. И. Маций // Известия ВУЗов: Строительство. – Новосибирск : НГАСУ, 2008. – № 5 (593). – C. 93–98.
- Плешаков, Д. В. Диагностика оползневых участков автомобильных дорог на основе методики оптимального риска /
Д. В. Плешаков, С. И. Маций // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. – Вып. 10
(29) – C. 200–206. - Плешаков Д. В. Опасность, риск и управление риском: определения и суть / Д. В. Плешаков, Е. В. Безуглова, С. И. Маций // ГеоРиск. – Москва : ОАО «ПНИИИС», 2011. – № 3. – С. 26–31.
- Плешаков Д. В. Менеджмент геологических рисков и его психологические аспекты / Д. В. Плешаков, Е. В. Безуглова,
С. И. Маций // ГеоРиск. – Москва : ОАО «ПНИИИС», 2011. – № 4.– С. 44–48.
Публикации по тематике диссертации в других изданиях, материалах конференций:
- Плешаков, Д. В. Выбор рационального варианта инженерной защиты на участке автомобильной дороги Майкоп – Туапсе / Д. В. Плешаков // Научное обеспечение агропромышленного комплекса : материалы 7-й Регион. конф. молодых ученых, 8-9 декабря 2005 г., Краснодар. – Краснодар : Изд-во КубГАУ, 2005. –
C. 271–272. - Плешаков, Д. В. Оценка оползневой опасности на проекте магистрального трубопровода “Сахалин-2” / Д. В. Плешаков,
С.И. Маций // Городские агломерации на оползневых территориях : материалы 3-й Междунар. науч. конф., посвящ. 75-летию строительного образования в г. Волгограде, 14-16 декабря 2005 г., Волгоград. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2005. – C. 157–162. - Плешаков, Д. В. Управление оползневым риском для ликвидации аварии на склоне в г. Сочи / Д. В. Плешаков,
С. И. Маций // Город и геологические опасности: материалы Международ. конф., 17-21 апреля 2006 г., г. Санкт-Петербург. – СПб., 2006. – C. 299–303. - Плешаков, Д. В. Качественная и полуколичественная оценка оползневого риска / Д. В. Плешаков, С. И. Маций // Оценка и упр. природ. рисками: материалы Всерос. конф. «Риск–2006», 20 апреля 2006 г., г. Москва. – М. : Изд-во РУДН, 2006. – C. 213–216.
- Плешаков, Д. В. Количественная оценка оползневого риска в строительстве / Д. В. Плешаков // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 1-й Всеросс. научно-практ. конф. молодых ученых, 14-16 ноября 2007 г., Краснодар. – Краснодар : Изд-во КубГАУ, 2007. – C. 351–353.
- Pleshakov D. V. Landslide hazard assessment at “Sakhalin-2” main pipeline project / D. V. Pleshakov, S. I. Matsiy, A. P. Sheglov // Geohazards - Technical, Economical and Social Risk Evaluation: proc. Internat. Conference on geotechn. Engineering, 18-21 June 2006, Lillehammer, Norway, 2003. – P. 815–820.
Отраслевые дорожные методические документы:
- Рекомендации по мониторингу и обследованию подпорных стен и удерживающих сооружений на оползневых участках автомобильных дорог : ОДМ 218.3.008-2011. : утв. Фед. дор. аг-м РОСАВТОДОР. – М., 2011. – 42 с.
- Методические рекомендации по расчету и проектированию свайно-анкерных сооружений инженерной защиты автомобильных дорог : ОДМ 218.2.026-2012. : утв. Фед. дор. аг-м РОСАВТОДОР. – М., 2013. – 58 с.
ПЛЕШАКОВ ДМИТРИЙ ВАДИМОВИЧ
ОЦЕНКА ОПОЛЗНЕВОГО РИСКА ЛИНЕЙНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 01.07.2013 г. Формат 60х84/16
Бумага офсетная. Печать трафаретная Гарнитура Times New Roman.
Усл. Печ. Л. 1,4. Уч.-изд. 1,2. Тираж 110 экз. Заказ № 18/5.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
Отпечатано в типографии
350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
