Оценка факторов устойчивости техногенно нагруженных лессовых склонов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Экономические науки


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

© И. А. Садовенко, Е. О. Подвигина, А. Н. Загриценко, Н. И. Деревягина, 2014
УЛК 556. 06:621. 131
И. А. Садовенко, Е. О. Подвигина, А. Н. Загриценко, Н.И. Деревягина
ОЦЕНКА ФАКТОРОВ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОГЕННО НАГРУЖЕННЫХ ЛЕССОВЫХ СКЛОНОВ
Методом численного моделирования геофильтрации количественно оценена роль природных и техногенных факторов в формирования гидродинамического режима подземных вод техногенно нагруженных лессовых склонов. На основании экспериментальных исследований оценены изменения, которые происходят в лессовых породах при их насыщении и фильтрации грунтового потока. Приведены результаты испытаний фильтрационных параметров пород, проведенных в условиях трехосного сжатия и различных значениях нагрузок и направлениях фильтрации. Показано, что при фильтрации в вертикальном направлении эрозионный размыв не формируется, а при фильтрации параллельно напластованию. Установлены границы перехода суффозионных процессов в эрозионные: получены средние значения выноса частиц, а также их гранулометрический состав для Приднепровского лессового суглинка.
Выявлены критические источники формирования механической суффозии с переходом в глубинную эрозию и рекомендовать пионерный порядок реализации предупредительных мероприятий в наиболее опасной зоне: инженерно-технический мониторинг- прекращение строительных и земляных работ на участках, которые замедляют поверхностный сток и разгрузку воды в тальвеги балок и формируют водосборные воронки и овраги- проведение ремонта ливневых коммуникаций в направлении поднятия рельефа, начиная с балок. Выявлены стадии развития эрозионных промоин.
Ключевые слова: численное моделирование, суффозия, глубинная эрозия, лессовые породы.
Основным видом техногенной нагрузки склоновых частей городских агломераций является плотная многоэтажная застройка территории и соответственно интенсивная эксплуатация всех типов водонесуших коммуникаций. Проектные строительные нормативы недостаточно учитывают специфику несуших свойств лессовых грунтов и их возможные изменения. Поэтому нарушения планировки застройки, поверхностного водоотвода и неконтролируемые утечки из во-донесуших коммуникаций приводят к возникновению техногенных аварий. Так, на территории ж/м «Тополь-1» в г. Днепропетровске заключительная фаза аварии (июнь 1997 г.) прояви-
лась в виде глубинной эрозии, перешедшей в крупномасштабный оползень-течение. В результате разрушены 9-ти этажный жилой дом, школа и частично два детских комбината. Объем оползневых масс составил 250 тыс. м3.
Период между техногенной аварией и настояшим временем характеризуется протеканием инженерно-геологических процессов, которые относятся к накопительной (негативной) фазе, предшествуюшей оползневым явлениям (локальная суффозия, эрозионные явления, ступенчатые оседания грунтов, деформации зданий). Они зафиксированы на смежном с оползневым участке в пределах жилого массива «Тополь-2».
Поэтому целью данной работы является количественный прогноз тех-ногенно нагруженных лессовых склонов и обоснование первоочередных мероприятий по предупреждению и ликвидации локальных техногенных источников развития оползневых процессов.
Поскольку наиболее динамичным фактором, который способен активизировать развитие оползневых процессов, является нарушение гидродинамического режима территории, возникла необходимость решения следующих задач:
• количественно оценить механизм и степень влияния природной и техногенной составляющей в формировании гидрогеомеханического режима территории-
• выявить зоны формирования критических источников развития механической суффозии, как одного из факторов развития и активизации оползневых процессов.
Основные результаты. В работе [1] нами были оценены изменения, происходящие в лессах при их насыщении и фильтрации техногенного грунтового потока, которые провоцируют процесс перехода структуры лесса в качественно новый с изменением характера структурных связей и новыми геомеханическими показателями. По результатам экспериментов в приборе трехосного сжатия ТпБСАН (УЛТесЬ Великобритания) была установлена инверсия фильтрационной анизотропии лес-сов в сравнении с ее природным положением. При радиальной нагрузке ст3 = 300 кПа наблюдалась суффозия, переходящая в эрозионный размыв с предваряющей фазой формирования гидравлически инертных полостей. В связи с этим была проведена серия испытаний лессовых пород для детализации механизма перестройки структуры породы при фильтрации,
а также количественного описания выноса грунтового материала и его изменения в различных условиях.
Аналогично [1] в процессе испытаний оценивалось воздействие на грунт фильтрационного потока в направлении сверху вниз и параллельно поверхностям наслоений. Для того, что-бы уточнить нагрузку, при которой появляются эрозионные промоины, геостатическое давление задавалось в диапазоне 250−300−350 кПа. Гидравлический градиент в образце соответствовал реальным условиям грунтового массива. Эксперимент прерывался при установлении затухающего характера объемных изменений в образце, а также выноса материала с возникновением эрозионного размыва.
Первая серия испытаний отвечала условиям фильтрации по схеме сверху-вниз. Отмечена суффозия с небольшим процентом вынесенных частиц и наибольшей активностью в первые часы после начала фильтрации (4−5 часов). Заметные импульсы выноса материала пришлись на период до 2 часов с затуханием в течение 12 часов. При последующем визуальном обследовании испытанных образцов нарушений, каверн, пустот, а также видимых зон разрыхления обнаружено не было. Существенно отличаются результаты, полученные при схеме испытания параллельно напластованию. Зафиксировано количество выходящих частиц во время опыта и проведен гранулометрический анализ (по Сабанину) как исходного, так и вынесенного породного материала. Наиболее интенсивный вынос частиц (72% от общей массы вынесенного материала) происходил в период от 2,5 до 6,0 часов от начала фильтрации. В большинстве случаев, на этот промежуток времени приходятся заметные изменения значений объемной деформации образца.
Рис. 1. Обобщенные результаты испытаний лессовых порол при направлении фильтрации параллельно напластованию: 250, 300 кПа — лиапазоны нагружения
По гранулометрическому соотношению выходящих частиц, а также их периодичности и изменениям объемных деформаций можно сделать вывод, что в лессовых породах имеет место отрыв агрегатов грунта, а не отдельных частиц. Это возможно за счет образования микротрещин (начиная с раскрытия 0,2−5,0 ц), фильтрация по которым подчиняется гидравлическим закономерностям напорного движения воды [2] и, соответственно, начинается процесс размыва.
Анализ результатов изменения объемных деформаций, количественные диапазоны вынесенных частиц, а также визуальные наблюдения дали возможность выделить прогнозную зону перехода суффозии в стадию размыва и образования замкнутого канала с инертной стоковой поверхностью (рис. 1).
Вторая задача работы основана на решении основного дифференциального уравнения фильтрации (1) итерационными методами с использованием системы конечно-разностных уравнений [3]:
«52Н «д2Н … дН
Тх -г + Т -г + № + 0р + 0п = ц-
х дх2 у ду2 р п дt (1)
где Н — искомая функция напора- Т, Ту — проводимость водоносного горизонта в направлении х и у, соответственно- № - величина инфильтрации- 0р — единичный расход, отражающий взаимосвязь с рекой- 0п — единичный расход, характеризующий взаимосвязь водоносных горизонтов через слабопроницаемые разделяющие слои- ц -упругая водоотдача- t — время.
Моделируемая область (жилмассив Тополь-2) площадью 2,36 км² аппроксимирована сеточной областью с шагом 20 м и в вертикальном разрезе представлена двухслойной водоносной толщей четвертичных и неогеновых отложений. На внешнем контуре модели зона питания по линии водораздела и естественные дрены в балках отображены граничным условием 111-го рода (Н=сот^, по линиям тока задано граничное условие 11-го рода с нулевым расходом (0=0), а на участках притока подземных вод со стороны сопредельных территорий Q=const.
Приходные элементы м3/сут Расходные элементы м3/сут
1973 1989 1991 1997 1973 1989 1991 1997
Слой 1
Инфильтра- ционное питание 71,2 841,8 1011,5 740 Переток в неогеновые пески 93,3 216,4 215,7 190,3
Приток на внешнем контуре 44,3 23,4 23,9 19,3 Разгрузка в балку Тополиная 11,3 6,6 6,5 8,5
Испарение 9,1 80,7 87,6 114,4
Высачивание 0,6 324,3 366,5 456,5
Емкостная составляюшая 0 0 0,3 20,8 Емкостная составляюшая 1,1 237,4 358,6 10,3
Всего 115,5 865,2 1035,7 880,1 Всего 115,4 865,4 1034,9 880,0
Идентификация математической модели и объекта исследований осу-шествлялась в два этапа, где на первом устанавливалось их физическое соответствие, а на втором — динамическое.
Воспроизведение на модели уро-венной поверхности и баланса подземных вод (таблица) в стационарной
постановке на период до застройки жилых массивов близко к фактическому, зафиксированному инженерно-геологическими изысканиями [4].
Решение вариантного ряда нестационарных обратных задач позволило сформировать полную ретроспективную картину динамики формиро-
Рис. 2. Соответствие модели и объекта иссле-дований по положению уровней грунтовых вод на 1989 и 1991 гг.
вания уровенного режима подземных вод (1973−2012 гг.) и количественно оценить основные факторы его формирования (таблица).
Тесная корреляционная связь между данными режимных наблюдений и положением уровня на модели свидетельствуют об адекватности реакции модели на определенные изменения в геологической среде (рис. 2).
Инверсия режима подземных вод (понижение уровня) четвертичного водоносного горизонта в период с 1997 по 2012 гг. является реакцией массива на формирование пониженного базиса дренирования в оползневой зоне жилмассива Тополь-1 и последующие инженерные мероприятия [5]. Снижение уровня грунтовых вод на 3,0−9,0 м зафиксировано фактическими данными и подтверждено результатами моделирования. При этом приходная составляющая водного баланса за счет инфильтрационного питания уменьшилась на 40%.
Поле природного инфильтраци-онного питания (от 10 до 65 мм/год) выделено с учетом глубины залегания уровня грунтовых вод и рельефа местности.
Установлена величина техногенного питания в балансе водоносного горизонта четвертичных отложений 335,7 м3/сут, что почти втрое больше естественного (120,5 м3/сут). Из этого следует, что основным фактором формирования уровенной поверхности грунтовых вод во времени является составляющая инфильтрацион-ного питания, которая почти на 75% определяется величиной техногенной инфильтрации.
Наиболее опасной по возможности развития процесса суффозии, перехода ее в глубинную эрозию и формирования оползня-течения является площадь грунтового склона с максимальными градиентами фильтрации в четвертичном водоносном горизонте,
наибольшей плотностью водокомуни-кационных сетей и величиной инфиль-трационного питания в пределах 150 270 мм/год. К этой же зоне относятся поверхности застроенных склонов с воронковидными и оврагообразными формами техногенного рельефа и засоренным базисом дренирования в руслах балок. Глубина залегания уровня грунтовых вод здесь существенно зависит от условий фильтрации к зоне разгрузки, дополнительных источников техногенной инфильтрации из поврежденных ливневых сетей, наличия искусственных препятствий на пути поверхностного стока, а именно: а) гидравлического сопротивления засоренных и заиленных русел балок- б) искусственных воронкообразных понижений рельефа в) бессточных оврагов и обрывов, формирующихся при ненадлежащей застройке гаражей. Границы этой зоны определяются суммой двух составляющих: 1) расстоянием от тальвегов балок до подошвы склонов, 2) расстоянием от подошвы склонов до верхнего контура инфильтрационного питания в пределах 150−270 мм/год.
Выводы: 1. Серия испытаний фильтрационных параметров пород проведенная в условиях трехосного сжатия и различных значениях нагрузок и направлениях фильтрации, показала, что при фильтрации в вертикальном направлении эрозионный размыв не формируется, а при фильтрации параллельно напластованию, установлены границы перехода суффозион-ных процессов в эрозионные: получены средние значения выноса частиц, а также их гранулометрический состав для Приднепровского лессового суглинка (2,8% от веса образца). Проведенные испытания являются основой для прогнозирования оползней течения, возникающих при техногенном фильтрационном нагружении склонов.
2. Установление механизма формирования глубинной эрозии и диффе-
ренциация факторов, способствуюших нарушению устойчивости техногенно нагруженных лессовых склонов, позволили выявить критические источники формирования механической суффозии с переходом в глубинную эрозию и рекомендовать пионерный порядок реализации предупредительных мероприятий в наиболее опасной зоне:
1. Садовенко И. А., Деревягина Н. И. Экспериментальные исследования суффози-онных и эрозионных деформаций лессовых пород // Вюник Кременчуцького нашональ-ного ушверситету 1меш Михайла Остро-градського, 2013, № 4 (81). С. 126−131.
2. Ломизе Г. М. Фильтрация в трешинова-тых породах / Г. М. Ломизе. М.: Госэнергоиз-дат, 1951. 127 с.
3. Ломакин Е. А. Численное моделирование геофильтрации / Е. А. Ломакин, В.А. Ми-роненко, В. М. Шестаков. М.: Недра, 1988. 239 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
инженерно-технический мониторинг- прекращение строительных и земляных работ на участках, которые замедляют поверхностный сток и разгрузку воды в тальвеги балок и формируют водосборные воронки и овраги- проведение ремонта ливневых коммуникаций в направлении поднятия рельефа, начиная с балок.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Заключение об инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства 16-ти этажных жилых домов на территории жилого массива «Тополь-3» в г. Днепропетровске / Игрунова М. А. и др. Укрвосток-ГИИНТИЗ, 1975. 62 с.
5. БЛокопитова H.A. Ошнка надшносп проектних заход1 В щодо захисту територп жит-лового масиву «Тополя-1» вщ пщтоплення / Н. А. Бшокопитова, Г. П. Кузша, Г. М. Ёей-ко та ш. // Мшеральш ресурси Украши. 1998. № 3. C. 38−43. ЕШЗ
Садовенко Н. А. — доктор технических наук, профессор, Нодвигина Е. О. — кандидат технических наук, доцент, e-mail: leka@hotmail. ru, Загриценко А. Н. — кандидат технических наук, e-mail: alinanik@bigmir. net, Деревягина Н. Н. — аспирант, e-mail: natali. derev@gmail. com,
Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет», кафедра «Гидрогеологии и инженерной геологии», г. Днепропетровск, Украина.
UDC 556. 06:621. 131
THE ANALYSIS OF THE REGULATORY FRAMEWORK ENSURING THE SAFETY OF HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURES
Sadovenko I.A., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Podvigina E.O., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor,
e-mail: leka@hotmail. ru,
Zagricenko A.N., Candidate of Engineering Sciences, e-mail: alinanik@bigmir. net, Derevjagina N.I., Graduate Student, e-mail: natali. derev@gmail. com,
State Higher Educational Institution «National Mining University», Dnepropetrovsk, Ukraine.
The article contains a brief analytical review of the regulatory framework ensuring the safety of dams in some countries and the features of current safety management system of hydraulic engineering structures in Russia. The problem of increasing the level of safety of hydraulic engineering structures by creating a system for remote control of stability, which provides timely definition the factor of stability and taking control solutions to ensure the safety hydraulic engineering structures is presented.
Key words: the regulatory framework, safety management system of hydraulic engineering structures, level of safety, remote control.
REFERENCES
1. Sadovenko I.A., Derevjagina N.I. Visnik Kremenchuc'-kogo nacional'-nogo universitetu imeni Mihajla Ostrograds'-kogo, 2013, no 4 (81), pp. 126−131.
2. Lomize G.M. Fil'-tracija v treshhinovatyh porodah (Filtration in jointy rocks), Moscow, Gosjenergoizdat, 1951, 127 p.
3. Lomakin E.A. Chislennoe modelirovanie geofil'-tracii (Numerical modeling of geofiltration), Moscow, Nedra, 1988, 239 p.
4. Igrunova M.A. Zakljuchenie ob inzhenerno-geologicheskih izyskanijah na ploshhadke stroitel'-stva 16-ti jetazhnyh zhilyh domov na territorii zhilogo massiva «Topol'--З» v g. Dnepropetrovske (Conclusion on geological engineering survey on the construction site of 16-storey apartment buildings within Topol-3 housing estate in the city of Dnepropetrovsk), UkrvostokGIINTIZ, 1975, 62 p.
5. Bilokopitova N.A. Mineral'-ni resursi Ukraini, 1998, no 3, pp. 38−43.
_ ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
ПРИКЛАДНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ МАТЕМАТИКА
Халкечев Кемал Владимирович — доктор физико-математических наук, доктор технических наук, профессор, e-mail: h_kemal@mail. ru,
Халкечев Руслан Кемалович — кандидат физико-математических наук, докторант кафедры «Физика горных пород и процессов», e-mail: syrus@list. ru,
Лозовская Яна Николаевна — доктор экономических наук, профессор, e-mail: atomqwer@mail. ru, Халкечев Олег Муратович — соискатель, e-mail: onhalk@mail. ru, Московский государственный горный университет.
Представленный специальный выпуск научного журнала посвящен математическому моделированию трудноформализуемых объектов, т. е. объектов, для которых фундаментальные законы, вариационные принципы и иные строгие математические утверждения c точки зрения решаемой задачи либо неизвестны, либо не существуют. Первая часть данного выпуска посвящена построению и исследованию математических моделей природных мультифракталов. Вторая — разработке математических моделей и алгоритмов функционирования экономических систем, являющихся типичными представителями трудноформализуемых объектов.
Ключевые слова: адаптивная система, горное предприятие, инновационная деятельность, трудноформализуемый объект, мультифрактальное моделирование, природный мультифрак-тал, порядок сложности, бесконечный кластер, конечный кластер, торфяной породный массив, пожар в торфяном массиве.
INDUSTRIAL AND APPLIED MATHEMATICS
Khalkechev K.V., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: h_kemal@mail. ru,
Khalkechev R.K., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Doctorant of the Chair of Physics of Rocks and Processes, e-mail: syrus@list. ru.
Lozovskaja Ja.N., Doctor of Economical Sciences, Professor, e-mail: atomqwer@mail. ru, Khalkechev О.М. — Applicant, e-mail: onhalk@mail. ru, Moscow State Mining University.
In presented article theoretical bases of multifractal modeling of hardly formalizable objects are developed. This approach consists in development for studied natural multifractals of various orders of complexity of the corresponding multifractal models. Each such model represents set of the mathematical models of the fractal structures together describing studied natural multifractal object connected among themselves. In presented article the fundamental error of mathematical modeling of hardly formalizable objects of multifractal structure of rather deformation properties reveals. For permission of this mistake the complex method of the self-coordinated field allowing with bigger degree of adequacy to define a field of deformations in any heterogeneity of natural multifractal object is offered. In presented article the new geotechnology according to the prevention and elimination of peat fires is offered. This geotechnology is based on methodology of mathematical modeling of the peat massifs, allowing from positions of fractal geometry to describe structures and textures of peat massifs and by that to develop methods and tools of decrease in risks of emergence of peat fires.
Key words: adaptive mining enterprise, innovation activity, hardlyformalized object, multifractal modeling, natural multifractal, complexity order, complex self-consistent method, fractal modeling, percolation threshold, infinite cluster, final cluster, peat massif.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой