CC BY
89
инженерные изыскания и обследование зданий. специальное строительство
УДК 621.644.07
с.А. махнатов
НИИ ПТМ № 17
новый взгляд на управление карстовым риском на примере проектирования подводных переходов для трубопроводов через крупные транзитные реки
Аннотация. В данной статье приведен пример управления риском для размещения линейных объектов на закарстованных территориях. В качестве конкретного объекта оценки риска выбран подводный переход трубопровода в долине реки Оки. Выявлены условия развития карста района, а также признаки, определяющие опасность карстовых провалов. Оценка риска произведена по результатам анализа необходимых и достаточных условий провалообразования по характерному для карстового района механизму. Предложено использовать алгоритм управления карстовым риском, основанный на вариативном подходе с учетом изменения природных условий.
Ключевые слова: карст, риск, опасность, провал, трубопровод, подводный переход, управление карстовым риском
DOI: 10.22227/1997-0935.2016.11.32-47
Из инженерной практики известно, что использование категорий устойчивости карстовой опасности, классифицируемой по диаметру провалов и интенсивности их образования, создает противоречия между изыскателями и проектировщиками [1, 2]. Эти противоречия особенно ярко заметны на фоне осуществления специфических проектов, таких как строительство линейных объектов. Из истории эксплуатации трубопроводов известно, что карстовые проявления часто наблюдались в полосах отводов. Характерными примерами причинения вреда объектам служат инциденты в Пермском крае. В ходе мониторинга за магистральным газопроводом наблюдались карстовые провалообразования (более 20 провалов диаметром d < 2,5 м, и глубиной h < 2 м в период 1983-1984 гг.), неоднократно угрожающие сооружению катастрофическими последствиями. в табл. 1 приведены характерные примеры угроз на закарстованных территориях.
в природе встречаются карстовые проявления в пределах влияния водных объектов, таких как озера, долины рек и т.д. характерные примеры представлены на рис. 1. в данной статье не приводится характерная типизация этих явлений, а принимается допущение, основанное на том, что рассматриваемые феномены являются следствием карстового провалообразования.
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство УЕБТЫНС
_мвви
Табл. 1. Официально зафиксированные аварийные случаи на трубопроводах
Угроза Вид карстового проявления Карст Источник
Нарушения нормативного состояния конструкции газопроводов вследствие повышения интенсивности провалоо-бразования Провалы Покрытый сульфатный [3, 4]
Загрязнения окружающей среды при размещении источников загрязнения в районах развития карстовых процессов Провалы, оседания и пр. Сульфатный, карбонатный [5-8]
Разрушение строящегося газопровода Провал 18 м Сульфатный, карбонатный [9]
Рис. 1. Примеры характерных карстопроявлений в пределах водных объектов [10-12]: 1 — подводный провал грунта, утягивающий под воду группу деревьев в штате Луизиана, США; 2 — воронка водоворота над понором на р. Западная Двина в Латвии; 3 — провал на берегу р. Ока у с. Желнино, Россия
На основе исследований Д.С. Соколова [13] предложено для инженерно-строительных целей оценки карстового риска использовать следующие необходимые и достаточные условия:
• вероятность возникновения воздействия вследствие развития карста;
• вероятность того, что объект может быть уязвим к воздействию;
• вероятный размер вреда (ущерба), возникновения потерь и т.п.
Отсутствие хотя бы одного условия исключает карстовый риск. Мы считаем, что оценка уязвимости строительной конструкции и эффективности инженерной защиты должна производиться отдельно от оценки вероятности появления воздействия.
Оценка карстового риска, сфокусированная на принятии управленческих решений. Рассмотрим более конкретно риск ситуации, когда на территории размещения объекта трубопровода есть опасность образования карстового провала. Целесообразно воспользоваться соответствующими действующими стандартами в области оценки и управления рисками ИСО/МЭК 31010: 2011 [14]. Адаптируя их положения для нашего случая, получим последовательность, представленную в табл. 2.
Табл. 2. Последовательность оценки карстового риска для принятия управленческих решений
Этапы оценки Реализация
Анализ карстового риска*
Определение области взаимодействия карста и техногенных объектов Анализ эскизов вариантов расположения трассы трубопровода в плане и по глубине Определение технических и физических характеристик объекта Получение сведений о состоянии окружающей среды (физико-механические свойства грунта и т.п.)
Идентификация карстового риска Определение ситуаций, способных нарушить нормальную эксплуатацию объекта и причинить ущерб объекту и окружающей среде
Оценка карстового риска
Анализ частоты (или вероятности) карстовых проявлений Определение интенсивности (провалообразования, оседания и т.д.), ожидаемого времени карстопроявления, скорости развития карстового процесса и т.п.
Анализ последствий Оценка вероятного ущерба
Определение уровня карстового риска Сопоставление возможного воздействия и последствий
* На этапе анализа риска могут устанавливаться критерии приемлемого риска, если они не были заданы ранее.
Анализ карстового риска. Определение области взаимодействия карста и техногенных объектов. функционально и технически трубопровод можно описать как изогнутый отрезок стальной трубы, через который производится транспортировка ресурсного вещества. в теории строительной механики данный отрезок рассматривают как линейную геометрически изменяемую систему (балку) на упругом основании. в ходе анализа методик по расчету трубопроводов [15-17] предложено воспользоваться следующими исходными данными для оценочных расчетов:
• уровень ответственности сооружения — I или II;
• расчетный срок эксплуатации сооружения Т = 25-50 лет;
• длина расчетного участка подводного перехода — L, м;
• диаметр трубопровода (наружный) — не более dc, м;
• номинальная толщина трубы ¿пот;
• расчетное сопротивление материала трубопровода (полиэтилен, полипропилен, сталь или пр.) — R = 4.. .400 МПа;
• физико-механические свойства грунтов (удельный вес, удельное сцепление, угол внутреннего трения, коэффициент пористости);
• заглубление сооружения hm по профилю трассы.
Эти данные возможно использовать как шаблон для технического задания по оценке карстового риска.
В качестве района исследования рассмотрим участок расположения трубопровода в долине р. Ока около устья р. Кишма. В административном плане территория находится в Павловском районе Нижегородской области вблизи деревни Окулово. Ширина русла и пойменной части по территории в течение года может варьироваться в пределах от 350 м до 1 км [18]. Отметки уровня реки могут изменяться от ~66,50 до 78,50 м (по Балтийской системе высот (БС)).
Район, согласно исследованиям карста Русской (Восточно-Европейской) равнины [19], относится к границе Суворощского и Сережа-Окского карстового районов Клязьминско и Нижнеокского карстовых округов Центрально-Русской карстовой области. Участок приурочен к зонам повышенной трещиноватости в осадочном чехле. В геоструктурном плане территория характеризуется наличием граничащих структур I, II и III порядков. Это выражено в рельефе и гидросети. В геоморфологическом плане территория относится к Волжско-Окской области зандровых и аллювиально-зандровых низин (абс. отм. рельефа: 61,70...75,7 м по БС). Современный ландшафт долины рек Ока и Кишма имеет древнюю историю развития из-за гидролитогенных, суб-терральных, гравитационных, эрозионных, эндогенных, а также карстовых (в частности карстово-суффозионных) процессов [20-22]. В своих исследованиях долины р. Кишма Е.В. Копосов отмечает приуроченность развития провалов к овражным и приустьевым участкам [21]. На момент наблюдений в русле реки в пойме и на надпойменных террасах отмечается значительное количество карстовых форм. подсчитана статистика карстопроявлений по отдельным участкам. На рис. 2 приведены совмещенные гистограммы распределения диаметров карстовых воронок и расстояний между ними, а также полиномиальные кривые аппроксимации, представляющие псевдофункциональную зависимость значений по осям абсцисс (х) и ординат (у), где R2 — величина достоверности аппроксимации.
В периоды половодий и паводков (особенно в многоводные годы) транзитные течения р. Ока способствуют эрозионному развитию воронок. Ожидается, что подрусловые потоки могут приводить к возникновению новых карстово-суффозионных провалов и постепенному оседанию днища долин. провалы сопровождаются бурным поглощением воды с образованием мощных и опасных водяных воронок.
Карстующиеся породы представлены (ангидриты и гипсы) отложениями стерлитамакского горизонта сакмарского яруса нижней перми (Plst). В структурно-текстурных особенностях карстующихся пород отмечается наличие кавернозных и сильнотрещиноватых (до разрушенных) участков. Ближе к кровле встречаются кавернозные участки, а также ослабленные, разрушенные зоны, сложенные разнозернистым песком. Общая мощность ослабленной зоны 2,5.4,5 м. Часто могут отмечаться поры и трещины как открытые, так и за-кольматированные пылевато-глинистым грунтом. Нижняя граница зоны кар-
стования варьируется в пределах отметок 60,00.. .25,00 м по БС. Относительно поверхности карстующихся пород мощность этих зон может достигать 23 м. Поперек русла реки расчлененность карстового рельефа отмечается в пределах 0,02.0,14. Показатель возрастает в пределах границ различных структур, а также палеодолин.
Рис. 2. Статистика карстопроявлений по отдельным участкам: 1 — свежая провальная воронка диаметром ~3 м и глубиной 3 м в пойме р. Ока; 2, 3 — гистограммы распределения диаметров зафиксированных карстовых воронок и расстояний между соседними воронками, соответственно
Карстующиеся породы покрыты аллювиальными четвертичными отложениями. Согласно региональным исследованиям, они слагают всю покровную толщу на данном участке. Аллювий представлен песками высокой и средней плотности от мелкозернистых до песков средней крупности. Мощность отложений в русловой части может составлять от 6,0 до 16,0 м.
При выявлении карстологической гидродинамической зональности территории четкие границы определить сложно. Участок исследования может соответствовать как горизонтальной, так и переходной циркуляции трещинно-кар-стовых вод, что характеризует собой интенсивность стока и степень развития карстового процесса на текущий момент времени. В трещинно-пустотном пространстве отмечаются напорные воды (напор не постоянен и изменяется в пределах от 8 до 20 м). Появление напора фиксируется после пористо-кавернозных участков, закольматированных пылевато-глинистым грунтом.
По оценкам градиент вертикальной фильтрации в течение года может изменяться в пределах от -2 до 6 для русла и поймы. Под руслами транзитных рек, таких как Ока не исключено формирование зоны горизонтального поддо-линного движения карстовых вод по каналам и полостям [22]. Сток направлен с северо-запада на юго-восток и имеет относительный градиент в пределах 0,015.0,15.
Для оценки агрессивности вод можно выполнить сравнение произведения активности (ПА) CaS04 с произведением растворимости [23], а также определить равновесную концентрацию сульфата кальция и сравнить ее с фактической концентрацией в пластовой или попутно-добываемой воде [24]. Известно, что все природные воды агрессивны, а при вербальной оценке защищенности напорных вод отмечено также, что трещинно-карстовые воды зачастую практически не защищены [8, 21]. Это определяет повышенную чувствительность экологической среды из-за развития карста.
Важным фактором является изменение гидростатического давления — градиент вертикальной фильтрации при максимальном уровне (1 % обеспеченности) может возрастать в 2,3.3,4 раза, что способствует росту вероятности карстово-суффозионного провалообразования. Анализируя все вышеприведенные факты, нами принято решение, что возможность карстопроявлений для таких территорий необходимо учитывать в проектировании.
Идентификация карстового риска. Идентификация карстового риска произведена с использованием рекомендаций [9]. В табл. 3 приведен характер последствий от карстопроявлений в соответствии с СП 116.13330.2012 [25] и результатами исследований [26-29].
Табл. 3. Основные виды (типы) карстовой опасности для трубопроводов
Наименование возможного ущерба Подтип карстоопасности по [25] Характер последствий*
Разрушение трубопроводов из-за провалов В1, В2 — чувствительность покровной толщи к деформациям над карстовыми полостями 1-2
Повреждение конструкций оседаниями В5 — чувствительность покровной толщи к последствиям эрозии и выщелачиванию 1-3
Возможное загрязнение окружающей среды А — возможны утечки в грунт при транспортировке ресурсного вещества 1-2
Подземная закарстованность С — наличие полостей, ослабленных, разуплотненных и разупрочненных зон в карстующихся породах и покровной толще 2-3
* Возможные аварии в соответствии с рекомендациями [9]: 1 — катастрофические последствия; 2 — частичные нарушения (отказы), приводящие к временному прекращению нормальной эксплуатации сооружений; 3 — повреждения, приводящие к затруднению нормальной эксплуатации сооружений (легким устраняемым отказам и т.п.).
Оценка карстового риска.
Оценка вероятного ущерба. Определение размера вероятного ущерба предлагается производить с использованием метода детальной оценки в соответствии с рекомендуемой методикой [30]. Общий принцип оценки заключается в интегрировании следующих показателей:
• полных убытков от аварии;
• затрат, понесенных в результате гибели и травматизма;
• ущерба основным и оборотным фондам предприятий;
• ущерба готовой продукции;
• элементам транспорта и связи;
• фондам различного назначения;
• затрат на ликвидацию аварии;
• неучтенных расходов и пр.
При оценке вероятного вреда возможно принимать характер последствий, изложенный в табл. 3.
Анализ частоты (или вероятности) возникновения карстовых явлений. Принято, что сила воздействия карстового провала зависит от возможного механизма его формирования. Характер проявления карста обеспечивается возможным механизмом распространения влияния карста в литосфере. В табл. 4, согласно данным [31-33], приведены возможные механизмы, наиболее подходящие для территории исследования. Показано, что сопоставление факторов выявило возможность образования карстового провала. Это обеспечено выполнением условий для их формирования по механизмам следующих типов: карстово-суффозионно-обвального (смешанного) провала типа В1 (3) и кар-стово-суффозионного провала фреатического типа Б.
Табл. 4. Причины, инициирующие провалообразование на исследуемой территории [31]
Причина, инициирующая провалообразо-вание Условия для образования провалов Генетические типы провалообразования и причины, инициирующие их проявление при необходимых условиях, а также возможность их проявления в текущих условиях*
Б В1
необход. по факту необход. по факту
Рост пустот в карстующихся породах Агрессивность подземных вод к кар-стующимся породам + Присутствуют 0 Присутствуют
Отток воды из карстующихся пород Инфильтрация вод из р. Ока в грунт; сезонное изменение уровня поверхностных вод - Лишь при откачках + Лишь при откачках
Приток воды в покрывающие породы 0 Присутствуют + Присутствуют
Отток воды из покрывающих пород Наличие трещин и пустот; градиент вертикальной фильтрации; сезонное изменение уровня воды в реке 0 Присутствуют - Присутствуют
Приток воды в карстующиеся породы + Через открытые трещины - Через открытые трещины
Динамические воздействия на горные породы Предполагаются при взрывных работах + ! - !
Открытая экскавация горных пород Могут использоваться различные методы прокладки + - + - ! + - + - !
* Знак «+» означает, что фактор служит причиной образования провала данного типа, знак «0», что он, как правило, не может выступать в этой роли, а знак «-», что противодействует образованию провала данного типа. Отсутствие знака означает, что фактор не реализуется в условиях формирования провалов данного типа. Знак «!» означает, что при выборе инженерно-строительных мероприятий необходимо иметь в виду, что данное обстоятельство не исключает провало-образования, а наоборот, может способствовать его реализации.
Для расчета диаметра карстового провала разработан алгоритм на основе методики, изложенной в рекомендациях [34, 35]. Последовательность работ следующая:
• определяется возможный размер полости, способной сформировать кругло-цилиндрический столб обрушения с учетом возможного механизма карстового провалообразования (рис. 3);
• определяется возможный диаметр кругло-цилиндрического столба обрушения (диаметр карстового провала) с учетом проектной глубины расположения трубопровода (рис. 4);
• определяется глубина, на которой размер возможной карстовой полости может превысить размер кругло-цилиндрического столба обрушения.
Рис. 3. Схема распределения расчетных зон формирования полостей по механизму провалообразования типа Б и В1 относительно расположения высшей точки проектирования нефтепровода. Наклонные пунктирные линии — границы зон формирования полости, горизонтальная пунктирная линия — трубопровод
Рис. 4. Расчетная схема определения кругло-цилиндрического столба обрушения [15]: Т — удерживающие силы; 0 — сдвигающие гравитационные силы; < — диаметр провала; ро — среднее давление под подошвой сооружения; Q — вес кругло-цилиндрического столба грунта, зависающего над карстовой полостью; а — коэффициент распределения напряжения в грунте, принимаемый согласно СП 22.13330.2011; i — индекс номера слоя в грунте; Вп — глубина до возможной полости (до карстующих пород и пр.); п — количество рассчитываемых элементарных слоев в грунте; Нм% — глубина р. Оки
В расчетах принято, что поверхностные воды играют двойную роль: • влияют на формирование кругло-цилиндрического столба обрушения (как дополнительная распределенная нагрузка);
• влияют на механизм формирования карстово-суффозионной полости в покровной толще (увеличивают градиент вертикальной фильтрации и напряженно-деформированное состояние грунта).
Чтобы оценить размер возможного воздействия, используем методы геомеханических расчетов. Определив расчетным способом возможные диаметры карстовых провалов, получим выборку в зависимости от факторов, влияющих на механизм провалообразования. Из наблюдений, проведенных ранее, замечено, что факторы меняются в течение сезона (рис. 5).
Рис. 5. Совмещенные графики распределения средних прогнозных показателей максимально (1) и минимально (2) возможных градиентов вертикальной фильтрации и возможных диаметров кругло-цилиндрического столба обрушения (с учетом расположения трубопровода), инициированного по механизму В1 (3) и Б (4) в зависимости от сезона (сезонного изменения уровня воды в реке)
Определение уровня карстового риска (сопоставление результата анализа и последствий). При строительстве трубопроводов согласно СП 42-1032003, СП 42-102-2004 и СН 550-82 [15-17] в проект закладывается параметр критического пролета трубы. Этот параметр определяет размер пролета от провала, при котором трубопровод способен остаться в проектном (нормативном) состоянии.
Априори для оценки риска представлено, что такие факторы, как раскрытие трещин и пр., присутствуют в зоне отвода трубопровода длиной dL и шириной Дтах. Для оценки вероятного воздействия воспользуемся стохастической моделью, полученной из условий равной вероятности и нормального (логнормального или др.) закона распределения размеров (диаметров) карстовых проявлений (в нашем случае провалов) в плане [26-29, 36-38]. Для оценки риска под заданной степенью надежности предложено понимать вероятность того, что среднее значение (из всей генеральной совокупности) по прогнозному воздействию (в данном случае карстового провала) не выйдет за рамки доверительного интервала. Границей доверительного интервала (справа) является величина критического пролета I (рис. 6). Где dср — это средний диаметр карстового провала), а о — среднеквадратическое отклонение случайной величины d (диаметра карстового провала). R — площадь гистограммы (раз-
мерностью от 0 до 1) в интервале й +Е до бесконечности.
ср
Величина R представляет вероятность образования провала, способного превысить критический пролет трубы I Точность интервальной оценки Е возможно оценить с помощью таблиц стандартного нормального распределения.
Управление карстовым риском для проектирования безаварийной и/или безот-
Рис. 6. Гистограмма распределения диаметров й провалов, выровненная по нормальному закону распределения: Е — точность интервальной оценки
казной эксплуатации трубопровода. Управление риском предложено осуществлять методом снижения возможности появления причин и факторов, способствующих провалообразованию. Пример управления карстовым риском представлен на табл. 5.
Табл. 5. Пример управления карстовым риском
Мероприятия против карстовой опасности п 8.2.1 [6]
Причины и факторы опасности и риска
Причины, инициирующие механизмы про-валообразования Б и В1
Факторы, приводящие к карстопрояв-лению
Принципиальные направления мероприятий
Эффективность (по вербальной оценке)
Предотвращение активизации или снижение активности карстовых процессов или уменьшение их последствий
обеспечение
возможности
нормальной
эксплуатации
территории
и сооружений
при допущенных
карстовых
проявлениях
I. Расширение полости или трещины
в карстующихся породах вследствие их растворения (В1, Б);
II. Приток воды в покрывающие породы; отток воды из покрывающих пород (Б);
III. Приток воды в карстующиеся породы;
отток воды из карстующихся пород (В1)
a. Агрессивность подземных вод;
b. Сезонное изменение уровня в р. Оке;
c. Высокая водопроницаемость покровной толщи;
d. Наличие тре-щинно-карстово-го пространства и градиента вертикальной фильтрации; Сезонное снижение уровня воды в р. Оке
Геотехнические (тампонирование пустот и закрепление грунтов) I, II, III-a, c, d
Снижение вероятности провало-образования
гидрохимические (снижение агрессивности природных вод) I, II, III-a
Отсутствуют из-за тесной гидравлической связи водоносных горизонтов
Планировочные (выбор наименее опасных участков)
Снижение вероятности про-валообразования
Конструктивные (усиление конструкций)
Увеличение запаса прочности
геотехнические (тампонирование пустот и закрепление грунтов)
Снижение
вероятности
провалообразо-
вания
Технологические п. 8.3.6 [25]
Эксплуатационные п. 8.3.7 [25]
Снижение вероятности отказа или аварии
выводы. Представленные результаты исследования закарстованности русла р. Ока позволяют с уверенностью заявить о влиянии сезонных изменений на вероятность карстового провалообразования. Основные факторы риска связаны с чувствительностью строительного объекта (в нашем случае трубопровода) к вероятному провалообразованию. Так как трубопровод является заглубленным сооружением, то при исследованиях необходимо учитывать развитие процесса на уровне сооружения. Управление проектами возможно осу-ществлять на начальных этапах оценки риска, когда выявлены основные факторы, определяющие карстовую опасность, и сформировано представление о возможных негативных последствиях.
Библиографический список
1. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. М. : ПНИИИС Госстроя России, 2000.
2. Хоменко В.П. Нормативная оценка карстовой опасности: кризисная ситуация // Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях : материалы Росс. конф. с междунар. уч. (г. Уфа, 22-23 мая 2012 г.). Уфа : БашНИИстрой, 2012. С. 240-245.
3. Костарев В.П. Оценка карстоопасности трассы при строительстве магистральных газопроводов // Информ. листок ЦНТИ. Пермь, 1984. С. 84-106.
4. Костарев В.П., Димухаметов М.Ш. Об оценке карстоопасности и активизации карстопроявлений при строительстве магистральных газопроводов // Проблемы изучения техногенного карста : тез. докл. Пермь, 1988.
5. Костарев В.П., Димухаметов М.Ш., Папировая В.Т. Элементы мониторинга и аварийные ситуации на линейных сооружениях в карстовых регионах Пермского Приуралья // Катастрофы и аварии на закарстованных территориях : тез. докл. совещ. Пермь : Дом науки и техники, 1990. С. 31-32.
6. Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н., Катаев В.Н., Костарев В.П., Толмачев В.В. Карстоведение. Ч. 3: Инженерное карстоведение. Пермь : ПГУ, 2011. 287 с.
7. Копосов Е.В., Копосов С.Е. Геоэкологическая оценка техногенного загрязнения подземных вод в карстовых районах. Нижний Новгород : ННГАСУ 2010. 164 с.
8. Копосов Е.В., Копосов С.Е. Типизация техногенных источников загрязнения подземных вод // Архитектура и строительство — 2000 : тез. докл. науч.-техн. конф. Нижний Новгород, 2000. Ч. 3. С. 127-128.
9. Рекомендации по проведению инженерных изысканий, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области. Нижний Новгород, 2012.
10. Мощный водоворот на реке Двиете в Латвии 23 апреля 2013 г.Странная игра природы.Видео // Наша планета. Режим доступа: http://planeta.moy.su/blog/moshhnyj_ vodovorot_na_reke_dviete_v_latvii_23_aprelja_2013_g_strannaja_igra_prirody_ video/2013-04-28-50370.
11. Кусок леса на глазах ушел под воду! Огромная карстовая воронка // www. youtube.com. Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=10QVRAvhj1o.
12. Фото провалов и воронок // ООО «Дзержинская карстовая лаборатория». Режим доступа: http://www.prokarst.ru/фото-провалов-и-воронок/.
13. Соколов Д.С. Основные условия развития карста. М. : Госгеолтехиздат, 1962. 322 с.
14. ГОСТ Р ИСО/МЭК 31010-2011. Управление рисками: методы оценки риска. М. : Стандартинформ, 2012. 73 с.
15. СН 550-82. Инструкция по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб.
16. СП 42-102-2004. Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб.
17. СП 42-103-2003. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов.
18. Ресурсы поверхностных вод СССР: Гидрологическая изученность / под ред. В.П. Шабан. Л. : Гидрометеоиздат, 1966. Т. 10. Верхне-Волжский район. 528 с.
19. Чикишев А.Г. Карст Русской равнины. М. : Наука, 1978. 191 с. (Серия «Планета Земля и Вселенная»)
20. Поздняков Л.Н., Клинк Б.Е., Купрюшина Н.И. Государственная геологическая карта Российской Федерации масштаба 1:200 000 / под ред. Б.А. Гантова. 2-е изд. СПб. : Недра, 2002. 192 с.
21. Методология обеспечения защиты урбанизированных территорий от природных и техногенных негативных воздействий / под общ. ред. Е.В. Копосова. Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. 596 с.
22. Горбунова К.А. Подрусловые карстовые полости и их отложения // Пещеры : сб. тр. Пермь : ПГНИУ, 1963. Вып. 3. С. 79-90.
23. Саваренский И.А., Миронов Н.А. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста. М., 1995. 167 с.
24. Мещерякова О.Ю. Оценка степени активности карстовых процессов (на примере Полазненского участка) // Вестник Пермского университета. Геология. 2011. Вып. 1 (10). С. 83-91.
25. СП 116.13330.2012. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. основные положения. Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003.
26. Толмачев В.В. Вероятностный подход при оценке устойчивости закарстован-ных территорий и проектировании противокарстовых мероприятий // Инженерная геология. 1980. № 3. С. 98-107.
27. Толмачев В.В., Махнатов С.А., Уткин М.М., Давыдько Р.Б. Основные результаты исследований по оценке карстового риска при строительстве // Проектирование и инженерные изыскания. 2013. № 2. С. 40-47.
28. Толмачев В.В., Ройтер Ф. Инженерное карстоведение. М. : Недра, 1990. 151 с.
29. Толмачев В.В., Троицкий Г.М., Хоменко В.П. Инженерно-строительное освоение закарстованных территорий / под ред. Е.А. Сорочана. М. : Стройиздат, 1986. 176 с.
30. РД 03-626-03. Методика определения размера вреда, который может быть причинен жизни, здоровью физических лиц, имуществу физических и юридических лиц в результате аварий гидротехнических сооружения: утв. совместным приказом МЧС и ГГТН России от 15.08.2003 г. № 482/175а и согласованной с Минэкономразвития России письмом от 14.03.2003 № МЦ-234/23.
31. Khomenko V.P., PotapovA.D., Tolmachev V.V., Makhnatov S.A. Karst risk assessment focused on mechanism of sinkhole formation // Proc. IAEG Symp. Torino. 2014. Pp. 885-889.
32. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов : дисс. ... д-ра геол.-минер. наук. М. : ГЕОС, 2003. 216 с.
33. Хоменко В.П. Карстово-обвальные провалы «простого» типа: полевые исследования // Инженерная геология. 2009. Вып. 4. С. 40-48.
34. Рекомендации по использованию инженерно-геологической информации при выборе способов противокарстовой защиты. М. : ПНИИИС. 1987.
35. Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях. М. : НИИОСП, 1985. 78 с.
36. Викторов А.С. Основные проблемы математической морфологии ландшафта. М. : Наука, 2006. 251 с.
37. Tolmachev V, Leonenko M. Experience in collapse risk assessment of building on covered karst landscapes in Russia // Karst management. Springer. Dordrecht-Heidelberg-London-New York, 2011. Pp. 75-102.
38. Zisman E.D. A method of quantifying sinkhole risk // Sinkholes and the engineering and environmental impacts of karst : Proceedings of the eleventh multidisciplinary conference (September 22-26, 2008, Tallahassee, Florida, USA). Reston : ASCE, 2008. Pp. 278-287.
Поступила в редакцию в июне 2016 г.
Об авторе: махнатов станислав Анатольевич — начальник отдела карстоло-гических изысканий, ОАО «нии проект «территориальная мастерская № 17» (нии птм № 17), 603057, г. Нижний Новгород, БЦ «Новая площадь», ул. Костина, д. 3, [email protected]; ассистент кафедры инженерной геологии и геоэкологии, национальный исследовательский московский государственный строительный университет (ниу мгсу), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26.
Для цитирования: Махнатов С.А. Новый взгляд на управление карстовым риском на примере проектирования подводных переходов трубопроводов через крупные транзитные реки // Вестник МГСУ. 2016. № 11. С. 32-47. DOI: 10.22227/19970935.2016.11.32-47
S.A. Makhnatov
FRESH APPROACH TO KARST MANAGEMENT IN DESIGNING SUBMERGED PIPELINE CROSSINGS OVER LARGE TRANSIT RIVERS
Abstract. It has been known that the use of karst stability categories classified by sinking diameter and the rate of its occurrence creates contradictions between researchers and designers. These contradictions are most discernable when implementing special projects such as construction of linear objects.
The article provides an example of risk management when placing linear objects on karsted territories as exemplified by trunk line submerged crossings in a valley of a large transit river. The conditions of the regional karst development were identified, as well as the features determining sink risk. The authors provide the factual material analysis using the concepts that describe the reasons for the formation sink mechanism. The risk assessment is carried out during the analysis of necessary and sufficient conditions for the occurrence of sink mechanisms forming the karst hazard. The research results showed that the seasonal variations influence the possibility of karst risk. It is proposed to use an algorithm of karst management based on the variability approach, taking into account the changes in environmental conditions that affect the essence of the danger existence.
Key words: karst, risk, danger, failure, pipeline, submerged crossing, karst management
References
1. SP11-105-97. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. Chast' II. Pravila proizvodstva rabot v rayonakh razvitiya opasnykh geologicheskikh i inzhenerno-geologicheskikh protsessov [Requirements SP 11-105-97. Engineering and Geological Investigations for Construction. Part 2. Works Execution Rules in the Regions of Dangerous Geological and Engineering-Geological Processes]. Moscow, PNIIIS Gosstroya Rossii Publ., 2000. (In Russian)
2. Khomenko V.P. Normativnaya otsenka karstovoy opasnosti: krizisnaya situatsiya [Standard Evaluation of Karst Risk: Crisis Situation]. Geotekhnicheskie problemy proek-tirovaniya zdaniy i sooruzheniy na karstoopasnykh territoriyakh : materialy Rossiyskoy konfer-entsii s mezhdunarodnym uchastiem (g. Ufa, 22-23 maya 2012 g.) [Geotechnical Problems of Building and Construction Design on Karst Territories : Materials of the Russian Conference with International Participation (Ufa, May 22-23, 2012)]. Ufa, BashNIIstroy Publ., 2012, pp. 240-245. (In Russian)
3. Kostarev V.P. Otsenka karstoopasnosti trassy pri stroitel'stve magistral'nykh gazopro-vodov [Estimating Karst Danger of a Route when Constructing Main Gaslines]. Informatsion-nyy listok TsNTI [Bulletin of the Center of Science and Technical Information]. Perm, 1984, pp. 84-106. (In Russian)
4. Kostarev V.P., Dimukhametov M.Sh. Ob otsenke karstoopasnosti i aktivizatsii karsto-proyavleniy pri stroitel'stve magistral'nykh gazoprovodov [On Estimation of Karst Danger and Activation of Karst Occurrence in the Construction of Main Gaslines]. Problemy izucheniya tekhnogennogo karsta : tezisy dokladov [Issues of Technogenic Karst Investigation]. Perm, 1988. (In Russian)
5. Kostarev V.P., Dimukhametov M.Sh., Papirovaya V.T. Elementy monitoringa i ava-riynye situatsii na lineynykh sooruzheniyakh v karstovykh regionakh Permskogo Priural'ya [Monitoring Elements and Emergency Situations on Linear Structures in the Karst Regions of the Perm Cisurals]. Katastrofy i avarii na zakarstovannykh territoriyakh : tezisy dokladov soveshchaniy [Accidents and Emergencies on Karsted Territories : Abstracts of Conference Papers]. Perm, Dom nauki i tekhniki Publ., 1990, pp. 31-32. (In Russian)
6. Dublyanskiy V.N., Dublyanskaya G.N., Kataev V.N., Kostarev V.P., Tolmachev V.V. Karstovedenie. Ch. 3: Inzhenernoe karstovedenie [Karst Science. Part 3: Engineering Karst Science]. Perm, PGU Publ., 2011, 287 p. (In Russian)
7. Koposov E.V., Koposov S.E. Geoekologicheskaya otsenka tekhnogennogo zagry-azneniya podzemnykh vod v karstovykh rayonakh [Geological Evaluation of Technogenic Pollution of Ground Waters in Karst Regions]. Nizhniy Novgorod, NNGASU Publ., 2010, 164 p. (In Russian)
8. Koposov E.V., Koposov S.E. Tipizatsiya tekhnogennykh istochnikov zagryazneniya podzemnykh vod [Type Designs of Technogenic Pollution Sources of Ground Waters]. Arkhi-tektura i stroitel'stvo — 2000 : tezisy dokladov nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Architecture and Construction — 2000 : Abstracts of Science and Technical Conference]. Nizhniy Novgorod, 2000, part 3, pp. 127-128. (In Russian)
9. Rekomendatsii po provedeniyu inzhenernykh izyskaniy, proektirovaniyu, stroitel'stvu i ekspluatatsii zdaniy i sooruzheniy na zakarstovannykh territoriyakh Nizhegorodskoy oblasti [Recommendations for Engineering Surveys, Design, Construction and Operation of Buildings and Structures on Karsted Territories of the Nizhny Novgorod Region]. Nizhniy Novgorod, 2012. (In Russian)
10. Moshchnyy vodovorot na reke Dviete v Latvii 23 aprelya 2013 g. Strannaya igra priro-dy. Video [Heavy Whirlpool on the Dviete River in Latvia on April 23rd, 2013. Strange Game of the Nature. Video]. Nasha planeta [Our Planet]. Available at: http://planeta.moy.su/blog/ moshhnyj_vodovorot_na_reke_dviete_v_latvii_23_aprelja_2013_g_strannaja_igra_prirody_ video/2013-04-28-50370.
11. Kusok lesa na glazakh ushel pod vodu! Ogromnaya karstovaya voronka [A Part of Forest Submerged Right in Front of the Eyes! Huge Sink Hole]. www.youtube.com. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=1OQVRAvhj1o.
12. Foto provalov i voronok [Photoes of Gaps and Sink Holes]. OOO «Dzerzhinskaya karstovaya laboratoriya» [LLC "The Karst Laboratory of Dzerzhinsk"]. Available at: http://www. prokarst.ru/foto-provalov-i-voronok/.
13. Sokolov D.S. Osnovnye usloviya razvitiya karsta [Main Conditions of Karstv Development]. Moscow, Gosgeoltekhizdat Publ., 1962, 322 p.
14. GOST R ISO/MEK 31010-2011. Upravlenie riskami: metody otsenki riska [Russian State Standard GOST R ISO/MEK 31010-2011. Risk Management. Risk Assessment Methods]. Moscow, Standartinform Publ., 2012, 73 p. (In Russian)
15. SN 550-82. Instruktsiya po proektirovaniyu tekhnologicheskikh truboprovodov iz plastmassovykh trub [Construction Rules SN 550-82. Design Guideline of Technological Pipelines of Plastic Pipes]. (In Russian)
16. SP 42-102-2004. Proektirovanie i stroitel'stvo gazoprovodov iz metallicheskikh trub [Requirements SP 42-102-2004. Design and Construction of Gaslines of Metal Pipes]. (In Russian)
17. SP 42-103-2003. Proektirovanie i stroitel'stvo gazoprovodov iz polietilenovykh trub i rekonstruktsiya iznoshennykh gazoprovodov [Requirements SP 42-103-2003. Design and Construction of Gaslines of Polyethylene Pipes and Reconstruction of Worn Gaslines]. (In Russian)
18. Shaban V.P., editor. Resursy poverkhnostnykh vod SSSR: Gidrologicheskaya izuchennost' [Resources of Surface Waters of the USSR]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1966, vol. 10. Verkhne-Volzhskiy rayon [Upper Volga Region], 528 p. (In Russian)
19. Chikishev A.G. Karst Russkoy ravniny [Karst of the Russian Plain]. Moscow, Nauka Publ., 1978, 191 p. (Seriya «Planeta Zemlya i Vselennaya» [Series "Planet Earth and the Universe"]) (In Russian)
20. Pozdnyakov L.N., Klink B.E., Kupryushina N.I. Gosudarstvennaya geologicheskaya karta Rossiyskoy Federatsii masshtaba 1:200 000 [State Geological Map of the Russian Federation, Scale 1:200 000]. 2nd edition. Saint Petersburg, Nedra Publ., 2002, 192 p. (In Russian)
21. Koposov E.V., editor. Metodologiya obespecheniya zashchity urbanizirovannykh ter-ritoriy ot prirodnykh i tekhnogennykh negativnykh vozdeystviy [Methods of Protecting Urbanized Territories from Natural and Technogenic Negative Impacts]. Nizhniy Novgorod, NNGA-SU Publ., 2013, 596 p. (In Russian)
22. Gorbunova K.A. Podruslovye karstovye polosti i ikh otlozheniya [Underflow Caverns and Their Deposits]. Peshchery: sbornik trudov [Coves : Collection of Works]. Perm, PGNIU Publ., 1963, no. 3, pp. 79-90. (In Russian)
23. Savarenskiy I.A., Mironov N.A. Rukovodstvo po inzhenerno-geologicheskim izys-kaniyam v rayonakh razvitiya karsta [Guideline for Engineering-Geological Surveys in Karst Development Regions]. Moscow, 1995, 167 p. (In Russian)
24. Meshcheryakova O.Yu. Otsenka stepeni aktivnosti karstovykh protsessov (na prim-ere Polaznenskogo uchastka) [Estimating Activity Rate of Karst Processes (on the Example of Polaznensk Area)]. Vestnik Permskogo universiteta. Geologiya [Bulletin of Perm University. Geology]. 2011, no. 1 (10), pp. 83-91. (In Russian)
25. SP 116.13330.2012. Inzhenernaya zashchita territoriy, zdaniy i sooruzheniy ot opas-nykh geologicheskikh protsessov. Osnovnye polozheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 22-02-2003 [Requirements SP 116.13330.2012. Engineering Protection of Territories, Buildings and Structures from Dangerous Geological Processes. Main Provisions. Updated Edition of SNiP 22-02-2003]. (In Russian)
26. Tolmachev V.V. Veroyatnostnyy podkhod pri otsenke ustoychivosti zakarstovannykh territoriy i proektirovanii protivokarstovykh meropriyatiy [Probabilistic Approach When Estimating Stability of Karsted Territories and Karst-Prevention Design]. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. 1980, no. 3, pp. 98-107. (In Russian)
27. Tolmachev V.V., Makhnatov S.A., Utkin M.M., Davyd'ko R.B. Osnovnye rezul'taty issledovaniy po otsenke karstovogo riska pri stroitel'stve [Main Investigation Results When Estimating Karst Risk in the Construction Process]. Proektirovanie i inzhenernye izyskaniya [Design and Engineering Surveys]. 2013, no. 2, pp. 40-47. (In Russian)
28. Tolmachev V.V., Royter F. Inzhenernoe karstovedenie [Engineering Karst Science]. Moscow, Nedra Publ., 1990, 151 p. (In Russian)
29. Tolmachev V.V., Troitskiy G.M., Khomenko V.P. Inzhenerno-stroitel'noe osvoenie zakarstovannykh territoriy [Engineering and Construction Development of Karsted Territories]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986, 176 p.
30. RD 03-626-03. Metodika opredeleniya razmera vreda, kotoryy mozhet byt'prichinen zhizni, zdorov'yu fizicheskikh lits, imushchestvu fizicheskikh i yuridicheskikh lits v rezul'tate avariy gidrotekhnicheskikh sooruzheniya: utverzhdennaya sovmestnym prikazom MChS i GGTN Rossii ot 15.08.2003 g. № 482/175a i soglasovannoy s Minekonomrazvitiya Rossii pis'mom ot 14.03.2003 № MTs-234/23 [Detailed Design RD 03-626-03. Methods of Estimating The Extend of Danger Which May be Caused to Life, Health of Private Individuals, Property of Private and Juristic Persons as a Result of Emergencies of Hydraulic Structures: Approved by the Joint Order of EMERCOM and State Mining and Safety Organization of Russia from 15.08.2003 no. 482/175a and Coordinated with the Ministry of Economic Development and Trade of Russia by a Letter from 14.03.2003 No. MTs-234/23]. (In Russian)
31. Khomenko V.P., Potapov A.D., Tolmachev V.V., Makhnatov S.A. Karst Risk Assessment Focused on Mechanism of Sinkhole Formation. Proc. IAEG Symp. Torino. 2014, pp. 885-889.
32. Khomenko V.P. Zakonomernosti i prognoz suffozionnykh protsessov : dissertatiya doktora geologo-mineralogicheskikh nauk [Regularities and Forecast of Underwashing : Dissertation of the Doctor of Geological and Mineralogical Sciences]. Moscow, GEOS Publ., 2003, 216 p. (In Russian)
33. Khomenko V.P. Karstovo-obval'nye provaly «prostogo» tipa: polevye issledovaniya [Carst-Landslide Sinks of a "Simple" Type: Field Studies]. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. 2009, no. 4, pp. 40-48. (In Russian)
34. Rekomendatsii po ispol'zovaniyu inzhenerno-geologicheskoy informatsii pri vybore sposobov protivokarstovoy zashchity [Recommendations on the Use of Engineering and Geological Information when Choosing Karst Protection Methods]. Moscow, PNIIIS Publ., 1987. (In Russian)
35. Rekomendatsii po proektirovaniyu fundamentov na zakarstovannykh territoriyakh [Recommendations for Foundation Design on Karsted Territories]. Moscow, NIIOSP Publ., 1985, 78 p. (In Russian)
36. Viktorov A.S. Osnovnye problemy matematicheskoy morfologii landshafta [Main Problems of Landscape Mathematical Morphology]. Moscow, Nauka Publ., 2006, 251 p. (In Russian)
37. Tolmachev V., Leonenko M. Experience in Collapse Risk Assessment of Building on Covered Karst Landscapes in Russia. Karst Management. Springer. Dordrecht-Heidelberg-London-New York, 2011. Pp. 75-102. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-94-007-1207-2_4.
38. Zisman E.D. A Method of Quantifying Sinkhole Risk. Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst : Proceedings of the Eleventh Multidisciplinary Conference (September 22-26, 2008, Tallahassee, Florida, USA). Reston, ASCE, 2008, pp. 278-287. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/41003(327)27.
About the author: Makhnatov Stanislav Anatol'evich — head, Department of Karst Investigations, OJSC Research Institute Project "Territorial Workshop no. 17" (NII PTM no. 17), 3 Kostina str., business center «Novaya ploshchad'», Nizhniy Novgorod, 603057, Russian Federation; [email protected]; Assistant Lecturer, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation.
For citation: Makhnatov S.A. Novyy vzglyad na upravlenie karstovym riskom na primere proektirovaniya podvodnykh perekhodov truboprovodov cherez krupnye tranzitnye reki [Fresh Approach To Karst Management In Designing Submerged Pipeline Crossings over Large Transit Rivers]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 11, pp. 32-47. (In Russian) DOI: 10.22227/1997-0935.2016.11.32-47
