Обеспечение экологической безопасности при комплексном освоении территорий, нарушенных экзогенными геологическими процессами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 631.459 DOI: 10.24411/1816-1863-2018-13070

т к

>:£ ОБЕСПЕЧЕНИЕ П. А. Слепнёв, к. т. н, доцент

о ЭКОЛОГИЧЕСКОМ Национального исследовательского

* Московского государственного

2 БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ строительного университета (МГСУ),

§ КОМПЛЕКСНОМ pslepnev@yandex.ru

а -

О

О

ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИИ, НАРУШЕННЫХ о ЭКЗОГЕННЫМИ

| ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ

ш

I-

о

_

(5 Показана проблема развития эрозионных процессов на территориях, осваиваемых под комплек-¡£ сную застройку. Установлена необходимость предварительной оценки развития эрозионных процессов посредствам реализации математической модели. Рассмотрена математическая мох дель развития эрозионных процессов на откосах и берегах водных объектов. Показано, что маО тематическая модель позволяет осуществить предварительную оценку противоэрозионной ус-

О

тойчивости грунтов и на основании этой оценки определить необходимость применения дополнительных мероприятий по их закреплению. Посредством математического описания процесса

п.

О т Ф

VO эрозии определен оптимальный гранулометрический состав грунтов наименее подверженных

g развитию процессов эрозии. Показана возможность учета в математической модели дополни-

^ тельных мероприятий по увеличению противоэрозионной устойчивости грунтов, в том числе с

Ф использованием геокомпозиционных систем. х

The problem of the development of erosion processes in the territories under complex development is shown. The necessity of preliminary assessment of the development of erosion processes through the implementation of a mathematical model is shown. A mathematical model of the development of ero-СЛ sion processes on the slopes and banks of water bodies is considered. It is shown that the mathematical model allows to carry out a preliminary assessment of the erosion resistance of soils and on the basis of this assessment to determine the need for additional measures to secure them. Through the mathematical description of the erosion process, the optimal granulometric composition of soils least susceptible to the development of erosion processes is determined. Possibility of the account in the mathematical model additional measures to increase anti-erosion stability of soils, including using geocom-position systems.

Ключевые слова: эрозия, математическая модель, график, скорость потока, противоэрозионная устойчивость грунтов.

Key words: erosion, mathematical model, schedule, speed of flow, erosion control soil stability.

В настоящее время остро стоит вопрос создания безопасной и комфортной среды проживания в условиях города; высокая плотность застройки вследствие дефицита территории, негативные изменения окружающей среды из-за воздействия транспорта и жизненно необходимых объектов городской инфраструктуры — все это не способствует формированию благоприятных условий для проживания и труда человека в городе [1, 2]. Одной из причин такой ситуации следует считать развитие опасных экзогенных процессов, в том числе эрозионных на осваиваемых территориях [3]. Развитие негативных экзогенных

процессов в свою очередь оказывает влияние на обеспечение экологической безопасности застраиваемых территорий.

Проблема эрозии грунтов не нова, однако применение различных видов защиты от эрозии грунтов основано, как правило, на опыте и не предусматривает дополнительной предварительной проработки и расчета принимаемых решений. В данной статье рассматривается математическое описание процесса эрозии и взаимосвязь принимаемых решений с использованием дополнительных мероприятий по защите откосов от размыва.

Для математического описания, процесс размыва (эрозии) необходимо представить как действие сил, способствующих и препятствующих ему. Силами, препятствующими процессу размыва, являются: во-первых, сила тяжести частицы; во-вторых, сила сцепления, которая играет важную роль в процессах размыва. К силам, способствующим процессу размыва, относятся пульсационное воздействие донных скоростей, а точнее изгибающий момент, стремящийся оторвать структурную частицу [4].

Теоретические зависимости, описывающие скорости потока, выражаются в следующих формулах [5, 6]:

К = ^^И = 1,41- Гн

на процессы эрозии, является шероховатость поверхности (п) [8], которая определяется следующим образом:

п =

д1/6 22 ,2

(4)

Если деформируемое русло потока состоит из грунта со средним размером зерен (к) и крупностью наибольших зерен, доля которых равна 5 % (к5), то для смешанных грунтов действующая высота выступов шероховатости будет равна:

Д = 0,7к<

(5)

(1)

где Ус — срывающая скорость; Ун — не-сдвигающая скорость; Н — глубина потока (для плоского потока Н = Я, Я — гидравлический радиус потока); й — диаметр зерен; ю — гидравлическая крупность зерен при стандартном (турбулентном) режиме обтекания.

Гидравлический радиус является важнейшей характеристикой потока и определяется по следующей зависимости [4]:

где к — диаметр зерен; к5 — диаметр наиболее крупных зерен, доля которых в смеси равна 5 %.

Одним из основных показателей, характеризующих поведение частиц в водном потоке гидравлическая крупность. Под гидравлической крупностью ю понимают скорость равномерного нестесненного падения частицы в покоящейся жидкости. Для определения значения гидравлической крупности [5]:

ю =

2 [ 8й( Уг - Ув ) + 1 ,2 5 ( Ср .с + ст наб

)]

1,75ув к

(6)

О) ^

о

О -1

х

а>

Г)

а

¡а

б

а>

ы

О ^

а

г> л

О г>

г>

-I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

а

о ~о

о ш

г>

о

X

о

ы

Г) т

03

а

Я = I О

V

1,^ТП + 2,18

(2)

где О — расход воды (м3/с), при отсутствии грунтовых вод, зависит от количества атмосферных осадков; п — коэффициент гидравлической шероховатости, зависящий от высоты шероховатости поверхности русла при безгрядном режиме; а — угол уклона поверхности.

Если принять, что дождь выпадает с постоянной интенсивностью достаточно длительное время, то движение стекающих дождевых вод в рассматриваемом сечении можно считать установившимся с расходом (л/с) [7]:

О = уд-Р,

где g — ускорение свободного падения, м/с2; учг — удельный вес грунта, кН/м2; ув — удельный вес воды, кН/м2; й — диаметр зерен, м; Ср.с — расчетное наименьшее возможное сопротивление связного грунта на разрыв, Па; к — коэффициент перегрузки; стнаб — напряжение, вызванное набуханием.

Для учета неоднородности Ср.с можно представить как произведение нормативного (среднего) сопротивления Ср^ на коэффициент однородности К, характеризующий изменчивость показателя прочности грунта:

Ср.с КСр.с '

(7)

(3)

где ¥ — площадь бассейна стока, га; у — коэффициент стока; д — интенсивность дождя (л/с) на 1 га.

Еще одной характеристикой эродируемой поверхности, оказывающей влияние

Вследствие динамического воздействия турбулентного потока на агрегат за нормативное сопротивление следует принимать предел прочности на разрыв при динамической нагрузке С^1. Этот показатель приближенно можно определять по зависимости от статической прочности

о

т

I-

и

со О X

О ^

и а О СР

О

о

т

I-

и

Ф

IX

о ср

I-

и

и о

X

и о с

о

со ф

ю

О ^

и ф

т

о

сцепления грунта, определяемой по вдавливанию сферического штампа [6]:

Су = 0,035 С.

(8)

При отсутствии данных экспериментальных измерений статической прочности грунта ее можно вычислить в зависимости от среднего диаметра частиц:

С =

3,3

0,65

(9)

Данное выражение получено путем математических вычислений, за основу которых принято предположение, что каждому типу грунта соответствует своя крупность зерен. На данный момент зависимость справедлива для грунтов с коэффициентом пористости е = 0,65, приведенных в СНиП 2.02.01—83* «Основания зданий и сооружений».

С учетом вышеизложенного зависимость для расчета гидравлической крупности принимает следующий вид:

ю =

2 [ gd(yг - Ув) + (0,13/й °'65) К]

1,75ку в

.(10)

Данная расчетная схема предназначена для определения критических скоростей русловых потоков, и поэтому в чистом виде не подходит для определения эрозионных процессов на склонах антропогенного и природного происхождения. Это, прежде всего, связано с тем, что:

а) дно русел, как правило, имеет незначительный уклон, который в расчетах не учитывается. Однако тангенциальная составляющая силы тяжести, воздействующая на частицы аллювия, при крутом дне значительно изменяет результаты определения критических скоростей. Чем больше уклон дна, тем меньше величина составляющей силы тяжести, направленной нормально к поверхности ложа потока, и тем меньше усилие, которое требуется для приведения частицы в состояние движения. В частности, уравнение (6) принимает в данном случае следующий вид [6]:

б) при рассмотрении процессов, связанных с действием русловых потоков, подразумевается, что глубина потока всегда больше диаметра зерен, однако это не всегда справедливо для потоков, влияющих на эрозионные процессы на склонах. Такая ситуация характерна для зерен крупных фракций, диаметр которых может превышать значение глубины потока. В подобной ситуации данные, полученные по приведенной выше расчетной схеме, будут неадекватны. Это связано с тем, что взвешивающее действие воды будет различным для зерен, полностью или частично погруженных в воду.

Для того чтобы учесть данные условия, А. А. Алексеев предложил определить взвешивающее действие воды на частично погруженные зерна. Для этого следует принять допущение, что зерна имеют форму шара. Это значит, что можно использовать безразмерные коэффициенты соотношения объемов подводной (ку„) и надводной (кун) частей зерна. Из уравнений объема шара и объема шарового сегмента эти коэффициенты будут равны [3]:

й)3 - п(й- *)2(2- ^) ку„ = —-—2-3-, (12)

" т(2 )3

кун =

и ъ\2(й й- К П(й- К) (2 - —

4т(2 )3

(13)

Однако в случае, когда К < й/2, т. е. частица погружена в воду меньше чем на половину (характерно для дождей небольшой интенсивности, когда величина инфильтрации приближается к нулевой отметке и начинает образовываться поверхностный сток), величина коэффициентов изменяется [6]:

п(й- К)2

2 ( й й - К

к^п =

4И й)3

(14)

Г2[#й(уг - Ув)(сов а - 8ш а) +

72

ю =

+ 1,25 СунК]

1,75 ку в

(11)

к^н =

^ 0 3 - П(й-К )2 (2-^К

4п (й) 3

3 (2 )

.(15)

Таким образом, при условии й < Я формулы (1) и (6) останутся неизменными, в противном же случае примут вид [9, 10]:

Ус = ^ю = 1,41Ун,

'2№(куп(уг-Ув) + кгнуг) X х( сов а - 8ш а) + 1,25 С^К]

(16)

(17)

1,75кув

Необходимость дополнительных про-тивоэрозионных мероприятий на склонах теоретически можно определить из следующего условия:

У > Ун

(18)

где У — фактическая средняя скорость потока, которую можно рассчитать по формулам Павловского и Шези [9, 10]:

У =

= лД^а Я

1,5л/П + 0,5

(19)

При сопоставлении значений критических скоростей с фактическими средними скоростями удается оценить эрозионную устойчивость склонов и выявить необходимость их дополнительного укрепления, или проведения других инженерных мероприятий.

Данная математическая модель может быть рекомендована для использования при предварительной оценке эрозионной устойчивости грунтов и выборе методов инженерной защиты, в том числе обосно-

вания геокомпозиционных систем способствующих обеспечению экологической безопасности.

Анализ математической модели, представленной в данной статье, позволяют сделать следующие выводы:

• глубина потока оказывает большое влияние на противоэрозионную устойчивость грунтов;

• для грунтов, размер частиц которых менее 1 мм, на противоэрозионную устойчивость грунтов оказывает их статическая прочность. Причем чем меньше размер частиц грунта, тем больше прочность и тем больше противоэрози-онная устойчивость грунтов;

• наименьшей противоэрозионной устойчивостью обладают грунты с размером частиц от 0,1 до 1 мм (пески пыле-ватые и мелкие). Это обусловлено небольшим весом частиц и малой статической прочностью массива грунта;

• данная математическая модель позволяет проводить первоначальную оценку противоэрозионной устойчивости грунтов, не прибегая к инструментальным методам оценки и контроля эрозионной опасности, т. е. если значения действительной скорости потока находятся в верхней части графика, то необходимо применять дополнительные мероприятия по защите откосов от эрозии, а если в нижней, то такая необходимость отсутствует и грунты устойчивы к размыву.

о>

о

О -1

х

а>

Г)

а

¡а

б

Ш ы

О ^

а

г> л

О г>

г>

-I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

а

о ~о

о ш

г>

о

X

о

ы

Г) —I оз

а

Библиографический список

1. Просвирнин Д. А. Современные аспекты комплексного подхода к развитию городских территорий // Актуальные вопросы экономических наук. — 2016. — № 48. — С. 76—81.

2. СП 116.13330.2012 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. Издание официальное. — М., 2012. — 60 с.

3. Департамент науки, промышленной политики и предпринимательства http://dnpp.mos.ru/

4. Алексеев А. А. Геоэкологическая эффективность применения геокомпозиционных экранов при восстановлении ландшафтов, нарушенных горнодобывающей деятельностью: Автореф. дис. на соиск. учен. степени к. т. н. М., 2005.

5. Гончаров В. Н. Нормы допускаемых неразмывающих скоростей // Гидротехническое строительство. - 1936. - № 5. - С. 5-18.

6. Мирцхулава Ц. Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. — М.: Колос, 1970. — 240 с.

7. Кузнецов М. С. Противоэрозионная стойкость почв. — М.: Изд-во МГУ, 1981. — 136 с.

8. Кнороз В. С. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов и факторы, ее определяющие // Изв. ВНИИГ. — 1959. — Т. 59. — С. 95—115.

9. Слепнев П. А.Оптимизация конструкций инженерной защиты берегов водных объектов: Автореф. дис. на соиск. учен. степени к. т. н. М.: МГСУ, 2008.

10. Щербина Е. В., Слепнев П. А. Инженерная защита склонов от развития эрозионных процессов // Труды юбил. конф. «Российская геотехника шаг в 21 век». — М., 2007.

ENSURING ENVIRONMENTAL SAFETY AT THE COMPLEX DEVELOPMENT 2 OF THE TERRITORIES AFFECTED BY THE EXOGENOUS GEOLOGICAL PROCESSES

u

m P. A. Slepnev, Ph. D. (Tech. Sc.), Associate Professor at the National Research Moscow State X University of Civil Engineering, pslepnev@yandex.ru o o

¡j References

a

^ 1. Prosvirnin D. A. Modern Aspects of an Integrated Approach to the Development of Urban Areas // Top-

's ical Issues of Economic Sciences. — 2016. — No. 48. — P. 76—81.

s 2. SP 116.13330.2012 Engineering Protection of Territories, Buildings and Structures from Dangerous Geo-

q logical Processes. Fundamentals. Official Publication. — M., 2012. — 60 p.

¡5 3. Department of science, industrial policy and entrepreneurship http://dnpp.mos.ru/

'i 4. Alekseev A. A. Geoecological Efficacy of Geocomputation Screens for the Restoration of Landscapes Dis-

§ turbed by Mining Activities: Autoref. dis. on competition of a scientific degree. Uch. St. Ph. D., M., 2005.

x 5. Goncharov V. N. Norms of Permissible Non-washing Speeds // Hydraulic Engineering. — 1936. —

Vol. 5. — P. 5—18.

6. Mirtskhulava T. S. Engineering Methods of Calculation and Forecast of Water Erosion. — Moscow: Ko-los, — 1970. — 240 p.

u 7. Kuznetsov M. S. Anti-Erosion Resistance of Soils. — Moscow State University publ., 1981. — 136 p.

8. Knoroz V. S. Indelible velocity for disjoint soils and the factors determining it. — WPI. VNIIG. — 1959. — Vol. 59. P. 95—115.

O ^

i-

u

ö

c 9. Slepnev P. A. Design Optimization of Engineering Protection of banks of water objects: Abstract. Dis

on competition of a Scientific degree — Academic Article Candidate of Tech. Sc. — Moscow: MGSU. 2008.

O m CD VO

o ^

u CD

T X

O (D

10. Shcherbina E. V., Slepnev P. A. Engineering protection of slopes from the development of erosion processes // Works of JB. Conf. "Russian Geotechnics Step into the 21-st Century". — M., 2007.

74