CC BY
38
УДК 658:562.014:006.354
А. Н. Елизарьев, Т. С. Титова, Е. Н. Елизарьева, Р. Г. Ахтямов, В. М. Гапонов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПЕРЕВОЗОК В ЗОНАХ ПРОЯВЛЕНИЯ ОПАСНЫХ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Дата поступления: 17.01.2018 Решение о публикации: 24.01.2018
Аннотация
Цель: Провести оценку безопасности урбанизированной территории при перевозке грузов железнодорожным транспортом в зонах проявления опасных природных процессов на основе подходов системного анализа. Методы: При анализе безопасности современные урбанизированные территории рассмотрены как сложная многоуровневая система, сконцентрированная в большей части в бассейнах крупных водных объектов и характеризующаяся наличием развитой железнодорожной инфраструктуры. Результаты: Предложен комплексный подход определения взаимодействия природных и техногенных опасных процессов в пределах урбанизированной территории. На основе декомпозиции проблемы взаимодействия природных и техногенных источников чрезвычайных ситуаций в пределах урбанизированных территорий рассмотрены процессы и явления во взаимосвязи, что дает возможность при комплексном учете повысить степень прогнозирования устойчивости территории к проявлению опасностей. Практическая значимость: Разработанный подход и результаты расчетов позволяют обоснованно выбрать мероприятия по увеличению устойчивости, оценить необходимость повышения эффективности мониторинга опасных процессов и явлений, а также по ограничению использования элементов транспортной инфраструктуры.
Ключевые слова: Безопасность, системный анализ, железнодорожная насыпь, наводнение, подтопление, устойчивость.
Alexey N. Elizariev, Cand. Geogr. Sci., associated professor, elizariev@mail.ru (Ufa State Aviation Technical University); Tamila S. Titova, D. Eng. Sci., professor (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University); Elena N. Elizarieva, Cand. Eng. Sci, associated professor, elizareva_en@ mail.ru (Bashkir State University, Ufa State Aviation Technical University); *Rasul G. Akhtyamov, Cand. Eng., associated professor, ahtamov_zchs@mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University); Vitaliy M. Gaponov, student (Ufa State Aviation Technical University) RAIL TRAFFIC SAFETY CONTROL IN REGIONS WITH NATURAL HAZARDS
Summary
Objective: To conduct safety evaluation of urban land in the process of goods traffic by railway transport in regions with natural hazards on the basis of system approaches. Methods: During
safety evaluation, modern urban areas were considered as a complex multilevel system, concentrated mainly in large water basins and characterized by the presence of the developed railway infrastructure. Results: A complex approach of determining natural and anthropogenic hazards interrelation within the limits of an urban land was introduced. By breaking the problem of natural and anthropogenic causes of contingency within the limits of an urban land, the processes and phenomena of interrelation were considered, which, in case of integrated accounting, provides an opportunity to improve the level of forecast of land resistance to hazard occurrence. Practical importance: The developed approach and calculation data make it possible on a reasonable basis, to select measures to increase resistance, to assess the necessity in efficiency improvement of hazardous processes and phenomena monitoring, as well as to restrict the use of transportation infrastructure elements.
Keywords: Safety, system analysis, railway embankment, flood, submergence/impoundment, stability.
Развитие городских агломераций приводит к освоению территорий, неприспособленных для проживания населения, возведению инженерно-технических объектов, необходимых для регулирования режимов водотоков и водоемов, разработке ландшафтов городов. Все это является предпосылками к возникновению природных опасных процессов, таких как наводнения, карстовые процессы, оползни, что, в свою очередь, оказывает влияние на различные объекты промышленности, науки, образования, культуры и рекреации в пределах урбанизированных территорий, а также геоэкологическую обстановку [1, 2]. За последние 20 лет площадь развития опасных природно-техногенных процессов увеличилась в пределах урбанизированных территорий на 50-60 % [3], в связи с чем возникает взаимосвязь между природными и техногенными системами.
Бесперебойное функционирование и развитие урбанизированных территорий, безусловно, не могут происходить без тесного взаимодействия с системами транспорта, и, как правило, современные города представляют собой крупные узловые центры, которые концентрируют транспортную, особенно железнодорожную, инфраструктуру. Наличие таких природных и техногенных источников опасности на территории с высокой концентрацией населения несет значительную угрозу безопасности жизнедеятельности.
В связи с этим необходимо охарактеризовать безопасность урбанизированной территории при перевозке грузов железнодорожным транспортом в зонах проявления опасных природных процессов на основе подходов системного анализа: оценку современных урбанизированных территорий как сложной многоуровневой системы, сконцентрированной в большей части в бассейнах крупных водных объектов и характеризующейся наличием развитой железнодорожной инфраструктуры.
На основании проведенного анализа состояния системы железнодорожного транспорта, а также причин возникновения чрезвычайных ситуаций
на объектах железной дороги установлено, что основными причинами являются внешние воздействия в виде опасных природных процессов (наводнений, карстовых процессов и оползней). На рис. 1 представлен подход, который позволяет комплексно определить взаимодействия опасных природных процессов, техногенных процессов и территории современных городов.
Урбанизированная территория
Наиболее опасные случаи взаимодействия
Опасные
природные
процессы
Опасные
техногенные
процессы
Рис. 1. Подход комплексного определения взаимодействия природных и техногенных опасных процессов в пределах урбанизированной территории
Учитывая, что современная урбанизированная территория - сложная многоуровневая система, для разложения ее на составляющие необходимо структурное разбиение проблемы методом декомпозиции, которая как процесс расчленения позволяет рассматривать любую исследуемую систему как сложную, состоящую из отдельных взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть расчленены на части. В качестве систем могут выступать не только материальные объекты, но и процессы, явления и понятия. Для рассмотрения подхода, приведенного на рис. 1, следует использовать декомпозиции на базе источников, стоков и потоков. Источниками служат водные объекты, закарстованные территории, оползневые склоны, городские территории и система железнодорожного транспорта, а в качестве стоков и потоков предложены воздействия источников друг на друга (рис. 2).
Таким образом, были установлены типы воздействия источников опасных процессов друг на друга, а именно водных объектов, оползневых склонов, закарстованных территорий и железнодорожной системы в пределах городских территорий (рис. 2).
Среди всех опасных природных процессов особое место занимают наводнения, вследствие их большой разрушительной способности, приводящей к различным чрезвычайным ситуациям (ЧС) [4]. Рассмотрим в качестве примера зон проявления опасного природного процесса именно подтопляемые при наводнении территории.
Изменение режимов в ходе строительства
Разрушение насыпей, выемок
Рис. 2. Декомпозиция проблемы взаимодействия природных и техногенных источников ЧС в пределах урбанизированных территорий
Для ряда субъектов РФ наводнения относятся к опасным и малоопасным группам, однако многие крупные промышленные центры почти ежегодно подвергаются частичному затоплению. Типичным примером является г. Уфа (Республика Башкортостан), для которого особую опасность представляет затопление железнодорожной насыпи из-за значительной грузонапряженности данного участка железной дороги, а также уменьшение пропускной способности русла р. Белой железнодорожным мостом, что обусловливает повышение максимальных уровней воды в реке.
Анализ особенностей прохождения половодья на р. Белой показал, что основными районами затопления железнодорожной насыпи являются левобережные пойменные террасы. Таким образом, в качестве территории исследования был выбран участок железной дороги в районе станции «Левая Белая» (рис. 3).
На основе результатов измерений параметров насыпи железнодорожного полотна с помощью GPS навигатора Explay PN-375 (8 контрольных точек), а также по топографическим картам (1:2000) описываемой территории построены поперечный профиль насыпи (А—А) и поперечный профиль поймы р. Белой (В-В), анализ которых показал, что железнодорожная насыпь в данном районе имеет вид трапеции с основанием на отметке 86 м БС. Для
Рис. 3. Характеристика рассматриваемого участка железной дороги (Н1 - высота бровки насыпи, метры балтийской системы (м БС), Н2 - высота основания насыпи, м БС, Н - высота насыпи, м)
увеличения устойчивости при воздействии внешних факторов откосы наС ТТ ТЧ КУ
сыпи имеют двойной уклон. Для рассматриваемого участка поймы р. Белой нет большой разности высот, и он характеризуется наличием оврагов, стариц и карстовых образований, выраженных в виде одиночных карстовых воронок, что необходимо учесть при прогнозировании устойчивости железнодорожной насыпи. Для исследования особенностей прохождения половодья на р. Белой в створе г. Уфы использовались максимальные уровни воды в реке за последние 50 лет.
При прогнозировании параметров наводнений применялись вероятностно-статистические методы, включающие анализ статистической однородности имеющихся временных рядов, а также построение теоретической кривой распределения максимальных уровней воды р. Белой (рис. 4) [5].
Как видно из рис. 4, а, интегральная кривая незначительно отклоняется от линии вида у = к • х + Ь в 1981 г. Нарушения однородности ряда дополнительно проверили на основе критериев Стьюдента, Фишера и Вилькоксо-на с помощью программы $1:окв1а1 1.2. Проверка показала, что данный ряд по всем критериям является однородным (уровень значимости 5 %). На основании рис. 4, б определено, что кривая распределения максимальных уровней воды в р. Белой в створе г. Уфы имеет асимметричный вид, что свойственно
а
Годы
б
л
н о
о
2
к &
о
н м
о
С
Обеспеченность, %
Рис. 4. Прогнозирование параметров наводнения на р. Белой: а - интегральная кривая связи: набегающая сумма максимальных уровней воды
в р. Белой за многолетний период (точки), аппроксимация к линии вида у = к • х + Ь с изломом в 1981 г. (ряды не однородны)', б - теоретическая кривая распределения максимальных уровней р. Белой
равнинным рекам Европейской территории России. Таким образом, максимальный уровень р. Белой, характеризующийся наибольшей повторяемостью, составляет 86,7 м БС.
Для однородных временных рядов рассчитаны значения обеспеченности максимальных уровней воды по формуле Крицкого-Менкеля [5, 6], построена теоретическая кривая обеспеченности и определены максимальные
ТАБЛИЦА 1. Результаты расчета обеспеченности, максимального уровня и повторяемости наводнений на р. Белой
Обеспеченность, %
1 5 10 50 90 95 99
91,8 90,3 89,5 86,7 84 83,3 82
Повторяемость, лет
100 20 10 2 10 20 100
уровни р. Белой при 1-, 5-, 10-, 50-, 90-, 95-, 99%-ной обеспеченности, а также их повторяемости (табл. 1).
Из табл. 1 следует, что наиболее часто (раз в 2 года) происходят наводнения с уровнем воды 86,7 м БС, а самые значительные, с обеспеченностью 1 %, достигают уровня в 91,8 м БС.
На основании рис. 3, а также данных о рельефе местности составлена карта с нанесенными зонами затопления, соответствующими максимальным уровням воды при 1-, 50- и 99%-ной обеспеченности (рис. 5) [7].
Из рис. 5 видно, что в зону подтопления при 1 %-ной обеспеченности максимального уровня р. Белой попадает рассматриваемый участок железнодорожной насыпи (при уровне 91,8 м БС). Для определения потенциального состояния насыпи произведен расчет устойчивости откоса при комплексном воздействии на грунт земляного полотна железных дорог поверхностных вод: по мере подъема и стояния вод в пойме вода проникает в грунт насыпи и из-
Рис. 5. Зоны затопления, соответствующие обеспеченности 1 % (I, включает зоны 50- и 90 %-ной обеспеченности), 50 % (II, включает зоны 99 %-ной обеспеченности) и 99 % (III) максимального уровня р. Белой
меняет показатель удельного веса несущих слоев насыпи, в результате чего возникают гидродинамические силы, а также уменьшается сопротивляемость грунтов сдвигу; при значительном насыщении тела насыпи влагой происходят разжижение и осадка несущих слоев насыпи, вследствие чего частично деформируется рельсошпальная решетка и ухудшается характеристика надежности безопасности движения [8].
На основе анализа структуры насыпи, преимущественно состоящей из глинистых и несцементированных обломочных грунтов, проведен расчет устойчивости откоса при воздействии на него поверхностных вод. Согласно
[9], оценка общей устойчивости откоса при подтоплении поверхностными водами, заключается в сопоставлении расчетных показателей коэффициента устойчивости п, определяемых из уравнения статики с их нормативным значением коэффициента п0, устанавливаемым из характеристик железной дороги и прочностных характеристик грунтов. С помощью метода кругло-цилиндрических поверхностей скольжения построены критические поверхности скольжения, по которым возможно разрушение насыпи при затоплении
[10]. Схема расчета устойчивости насыпи представлена на рис. 6.
С учетом насыщения грунтов водой определены силы, действующие на выделенные блоки откоса, на основании которых рассчитаны коэффициенты устойчивости для рассматриваемых кривых скольжения А - А1, А - А 3 и А - А 4.
Рис. 6. Схема расчета устойчивости насыпи [10]
ТАБЛИЦА 2. Значения коэффициентов устойчивости для рассматриваемых
кривых скольжения
Параметр Кривая скольжения
А-А1 А-А3 А-А4
Расчетное значение коэффициента устойчивости 2,15 1,82 2,12
Нормативное значение коэффициента устойчивости 1,46
Как видно из табл. 2, наиболее опасной кривой скольжения является кривая А - А 3. Так как расчетное значение коэффициента устойчивости п =1,82 больше нормативного п0 = 1,46, рассматриваемый откос при воздействии на него поверхностных вод можно считать устойчивым.
Таким образом, проведенный анализ повторяемости затоплений железнодорожной насыпи на территории г. Уфы в пойме р. Белая показал, что даже в многоводные годы (обеспеченность 1 %) устойчивость насыпи обеспечивается. В то же время участок территории характеризуется закарсто-ванностью, что требует уточнения устойчивости, постоянной диагностики и мониторинга.
Библиографический список
1. Данилов-Данильян В. И. Потребление воды : экологический, экономический, социальный и политический аспекты / В. И. Данилов-Данильян, К. С. Лосев. - М. : Наука, 2006. - 221 с.
2. Титова Т. С. Комплексная оценка влияния новых природозащитных технологий на геоэкологическую обстановку : дис. ... д-ра техн. наук, специальность 25.00.36 - Геоэкология (по отраслям) / Т. С. Титова. - СПб. : ПГУПС, 2005. - 330 с.
3. Чуносов Д. В. Обоснование мероприятий по защите от подтопления урбанизированных территорий на основе теории риска : дис. ... канд. техн. наук, специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство / Д. В. Чуносов. - М. : ОАО «НИИ ВОДГЕО», 2008. - 133 с.
4. Козлов Д. В. Наводнения на реках / Д. В. Козлов. - М. : Моск. гос. ун-т приро-дообустройства. - URL : http://www.msuee.ru/snwo/prezentacion/unesko_htm/str03.htm (дата обращения : 13.01.2018).
5. Елизарьев А. Н. Оценка антропогенного воздействия на гидроэкологический режим водных объектов (на примере р. Белой) : дис. канд. геогр. наук, специальность 25.00.36 -Геоэкология (по отраслям) / А. Н. Елизарьев. - Уфа : Уфим. гос. авиац. техн. ун-т, 2007. -185 с.
6. Перевозников Б. Ф. Методическое руководство по гидрологическому обследованию водотоков и разработке региональных норм максимального стока при проектировании дорог / Б. Ф. Перевозников. - М. : Союздорпроект, 1970. - 73 с.
7. Afanasev I. Analysis of interpolation methods to map the long-term annual precipitation spatial variability for the Republic of Bashkortostan, Russian Federation / I. Afanasev, T. Volkova, A. Elizaryev, A. Longobardi // WSEAS Transactions on Environment and Development. - 2014. -Vol. 10, N 1. - P. 405-416.
8. Яковлева Т. Г. Железнодорожный путь / Т. Г. Яковлева, Н. И. Карпущенко, С. И. Кли-нов. - М. : Транспорт, 1999. - 405 с.
9. Предложения по расчету устойчивости откосов высоких насыпей и глубоких выемок. - М. : СоюздорНИИ, 1966. - 63 с.
10. Муллаянов Р. Р. Прогнозная оценка параметров наводнений для анализа устойчивости железнодорожной насыпи в пойменной террасе р. Белой в районе г. Уфа / Р. Р. Муллаянов, Л. Ю. Кияшко, Э. С. Насырова, А. Н. Елизарьев // Наука, образование, производство в решении экологических проблем. Экология-2016 : материалы XII Междунар. науч.-технич. конференции. - Уфа : РИК УГАТУ, 2016. - С. 372-381.
References
1. Danilov-Danilyan V. I. & Losev K. S. Potrebleniye vody: ekologicheskiy, ekonomi-cheskiy, sotsialniy ipoliticheskiy aspekty [Water consumption: ecological, economic, social and political aspects]. Moscow, Nauka Publ., 2006, 221 p. (In Russian)
2. Titova T. S. Kompleksnaya otsenka vliyaniya novikh prirodozashitnikh tekhnologiy na geoekologicheskuyu obstanovku [Integral assessment of the impact of innovations in nature protection on geoecological situation]. Diss... D. Eng. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2005, 330 p. (In Russian)
3. Chunosov D. V. Obosnovaniye meropriyatiy po zashchyte otpodtopleniya urbaniziro-vannikh territoriy na osnove teorii riska [Justification of measures aimed at protection from urban land flooding based on risk theory]: Diss. Cand. Eng. Sci. Moscow, OAO "NII VOD-GEO" Publ., 2008, 133 p. (In Russian)
4. Kozlov D. V. Navodneniya na rekakh [River floods]. Moscow, Moscow State University of Environmental Engineering Publ. URL: http://www.msuee.ru/snwo/prezentacion/unesko_ htm/str03.htm (accessed: 13.01.2018). (In Russian)
5. Elizaryev A. N. Otsenka antropogennogo vozdeistviya na gidroekologicheskiy re-zhim vodnykh obyektov (naprimere r. Beloy) [The assessment of man impact on hydroecological behavior of water bodies (by the example of the Belaya river)]: Diss. Cand. Geogr. Sci. Ufa, Ufa State Aviation Technical University Publ., 2007, 185 p. (In Russian)
6. Perevoznikov B. F. Metodicheskoye rukovodstvo po gidrologicheskomu obsledova-niyu vodotokov i razrabotke regionalnikh norm maksimalnogo stoka pry proyektirovanii dorog [Guidance on hydrological survey of water courses and the development of regional maximum flow rate when designing roads]. Moscow, Soyuzdorproyekt Publ., 1970, 73 p. (In Russian)
7. Afanasev I., Volkova T., Elizaryev A. & Longobardi A. Analysis of interpolation methods to map the long-term annual precipitation spatial variability for the Republic of Bashkortostan, Russian Federation. WSEAS Transactions on Environment and Development, 2014, vol. 10, no. 1, pp. 405-416.
8. Yakovleva T. G., Karpushchenko N. I. & Klinov S. I. Zheleznodorozhniyput [Track]. Moscow, Transport Publ., 1999, 405 p. (In Russian)
9. Predlozheniyapo raschetu ustoichivosty otkosov vysokikh nasipey i glubokykh viyemok [Proposals on stability design of slopes for high banks and heavy cuts]. Moscow, SoyuzdorNII Publ., 1966, 63 p. (In Russian)
10. Mullayanov R. R., Kiyashko L. Y., Nasirova E. S. & Elizaryev A. N. Prognoznaya otsenka parametrov navodneniy dlya analiza ustoichivosty zheleznodorozhnoy nasipy v poimen-noy terrase r. Beloy v rayone g. Ufa [Prediction estimate of flood parameters for the analysis of railway embankment stability in flood-plain terrace of the Belaya river in Ufa region]. Nauka, obrazovaniye, proizvodstvo v reshenii ekologicheskikh problem. Ekologiya-2016: materialy XII Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Science, education, manufacture in the solution of ecological issues. Ecology-2016: proceedings of the 12th International research and technical conference]. Ufa, DEC USATU Publ., 2016, pp. 372-381. (In Russian)
ЕЛИЗАРЬЕВ Алексей Николаевич - канд. геогр. наук, доцент, elizariev@mail.ru (Уфимский государственный авиационный технический университет); ТИТОВА Тамила Семеновна -д-р техн. наук, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); ЕЛИЗАРЬЕВА Елена Николаевна - канд. техн. наук, доцент, elizareva_en@mail.ru (Башкирский государственный университет, Уфимский государственный авиационный технический университет), *АХТЯМОВ Расул Гумерович - канд. техн. наук, доцент, ahtamov_zchs@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); ГАПОНОВ Виталий Михайлович - студент (Уфимский государственный авиационный технический университет).
