CC BY
105
УДК 624.131.1
С.В.КВАШУК, Е.В.ФЕДОРЕНКО
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск, Россия
ОЦЕНКА СЛОЖНОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ОПЫТЕ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА
Для Дальневосточного инженерно-геологического региона свойственен повышенный риск функционирования сооружений железных дорог, определяемый изменчивыми инженерно-геологическими условиями. Авторы предлагают на основе анализа интегрального показателя инженерно-геологических условий, с использованием теории нечетких множеств, определять степень пригодности районов, участков для транспортного освоения.
Engineering-geological region of Far East is rather risky for operation of railway structures which is defined by changing engineering-geological conditions. The authors suggest their difficulty evaluation approach based on the analysis of engineering-geological conditions integral index defining the rate of the areas' and sections usefulness for transportation assimilation using fuzzy logic theory.
Повышенный риск функционирования сооружений железных дорог Дальнего Востока обусловлен специфическими геодинамическими условиями, определяемыми совокупностью сложных экзогенных условий (суровый резко-континентальный климат, широкое развитие многолетнемерзлых пород, проявления опасных экзогенных геологических процессов) и обостряющих их сложных эндогенных условий (геологическое и тектоническое строение, современные и новейшие движения земной коры, высокая сейсмичность).
Дальний Восток России - единый инженерно-геологический регион I порядка, главной особенностью которого является торцевое сочленение двух крупных складчатых поясов Земли - Центрально-Азиатского и Тихоокеанского [13], сложно взаимодействующих геологических структур планетарного уровня.
Исследования проводились в регионах юга Дальнего Востока, представляющих собой сочетание активно взаимодействующих разнородных геологических элементов -регионов II порядка [5]. Здесь зона глубинных разломов Тан-Лу, тянущаяся с северо-востока Китая, разветвляется на крупные разломы - Курский, Хинганский, Амгунь-
ский, Тугурский, а также на ряд менее значительных. Разломы были заложены в мезозое и активизированы в настоящее время. В формировании блокового строения региона участвовали неотектонические унаследованные мезозойские и более древние тектонические нарушения [1].
Наибольшие современные вертикальные движения земной коры отмечены на севере региона в пределах горных сооружений Монголо-Охотской складчатой системы (+11,2 мм/год), а минимальные свойственны Сихотэ-Алиньской складчатой системе (±0,5-2,0 мм/год). По направлению северо-запад - юго-восток вертикальные движения земной коры закономерно чередуются -опускание сменяется поднятием, затем снова опускание [6].
Наиболее высокий уровень сейсмической активности - на западе в Байкало-Становой и Джугжурской зонах, где расчетная сила возможных землетрясений 9 баллов и более. В восточной части поднятия Станового хребта, Тукурингра-Джагдинском и Баджало-Бурениском поднятиях выделяют опасные зоны, с силой землетрясений 8 баллов. В Сихоте-Алиньской зоне возможны землетрясения силой 7 баллов, в пределах Амуро-Зейской кайнозойской плиты макси-
мальный уровень сейсмической опасности 7 баллов [9]. На самом юге региона, в Приморском крае, выделен треугольник «Туманган - Ханка - Ольга», охватывающий 9-балльную область.
Северная часть территории представляет собой зону перехода от сплошного распространения многолетнемерзлых пород к сплошному распространению талых пород вблизи южной границы криолитосферы. Здесь прослеживаются сплошной, прерывистый, массивно-островной, островной и редкоостровной типы распространения мно-голетнемерзлых пород, с которыми на исследованной территории связано широкое развитие заболоченности и криогенных процессов.
Климат в регионе суровый, резкоконтинентальный, муссонный, формирующийся в умеренных широтах на окраине Азиатского материка, в условиях тесного взаимодействия суши и океана. Специфическое геоморфологическое строение региона, для которого свойственно сочетание горного рельефа с разобщенными обширными равнинами, определяет исключительную контрастность и неоднородность климата в регионе. В зимнее время движение холодных циклонов из центральных областей Сибири и Арктики к океану задерживают горные хребты, расположенные вдоль морского побережья, что делает температуру воздуха очень низкой на всей территории. В летнее время хребты ослабляют влияние адвекции с моря и увеличивают значение вертикальных градиентов температур [2, 4, 12].
Осадочные отложения четвертичного возраста представлены озерными, озерно-аллювиальными и органическими во впадинах (торфяные, илистые отложения); аллювиальными и пролювиальными - в речных долинах; делювиальными и элювиальными на склонах и выположенных водораздельных пространствах гор и возвышенностей; ледниковыми - в наиболее высоких горных хребтах [2-4].
Охарактеризованная специфическая геодинамическая обстановка региона определяет разнообразные, изменчивые и сложные инженерно-геологические условия и
широкое распространение опасных природных, а также техноприродных геологических процессов, влияющих на работу железных дорог.
Одним из характерных районов Дальнего Востока является Юго-Западное Приморье, характеризующееся сложными инженерно-геологическими условиями. В пределах базальтового плато широко развиты оползневые процессы, представляющие серьезную угрозу для транспортных магистралей. Аллювиальные отложения долин рек нередко имеют прослои илов различной мощности, что в значительной степени осложняет проектирование обходов оползневых участков. Особенности климата создают предпосылки для интенсивного развития эрозионных процессов.
Работа авторов по решению проблем строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Дальневосточного инженерно-геологического региона и района Юго-Западного Приморья позволила разработать шкалу критериев пригодности районов, участков для транспортного освоения. Она создана на основе положений существующих классификаций [7, 10] и оценок специалистов в области транспортного строительства и инженерной геологии.
В зависимости от интегрального показателя инженерно-геологических условий определяется степень пригодности районов, участков для транспортного освоения. Критерии, лежащие в основе шкалы, позволяют при проектировании протяженных линейных сооружений производить разделение на участки, отличающиеся сложностью геологических условий строительства и обеспечения устойчивости земляного полотна. Каждый критерий оценивался условными индексами от 0 до 3, бЩльшее значение соответствует худшим условиям. Выделено девять критериев:
1. Рельеф. С точки зрения проектирования железных дорог, неблагоприятными для трассирования формами рельефа являются склоны и косогоры. Благоприятные - повышенные участки: плоскогорья, мелкосопоч-ник и водораздельные пространства. Относительно благоприятны пониженные участки
рельефа: приозерные равнины, речные долины и прибрежные низменности.
2. Геологическое строение. Данный критерий оценивается по распространению горных пород, их однородности и выдержанности по простиранию. Благоприятные территории имеют однородное геологическое строение; относительно благоприятные -до четырех слоев с простым соотношением пород. Неблагоприятными являются территории, сложенные разнообразными комплексами горных пород, имеющих сложные взаимоотношения.
3. Показатели прочности. Для определения устойчивости сооружений скальные и полускальные породы оцениваются по временному сопротивлению сжатию [8]; дисперсные несвязные - по углу естественного откоса на воздухе, косвенно характеризующему показатели прочности; дисперсные глинистые - по сдвиговым характеристикам.
4. Несущая способность. Оценкой характеристик, отвечающих за возможные деформации слоев грунта, у скальных пород является пористость [8]; у дисперсных несвязных прочностные характеристики отражены в наименовании и определяются коэффициентом пористости; у дисперсных связных - по деформационным характеристикам (степень сжимаемости, модуль общей деформации).
5. Объемные изменения грунтов. Данные критерии связаны с процессами морозного пучения и набухания. Характеристикой водоустойчивости для скальных пород является коэффициент размягчаемости. Оценка дисперсных несвязных пород производилась по наличию в составе глинистого заполнителя. Присутствие в песках и крупнообломочных грунтах более 20 % глинистого заполнителя свидетельствует о том, что он относится к пучинистым. Объемные изменения дисперсных глинистых грунтов оценивались по набуханию.
6. Грунтовые воды. Благоприятны территории со сравнительно большой (> 5 м) глубиной залегания, относительно благоприятны - с малой глубиной (> 1 м). Неблагоприятны территории, где обводненность пород значительная.
7. Условия сейсмичности. Данные критерии оценивались по таблице повышения балльности основных групп горных пород С.В.Медведева в зависимости от состава и физического состояния. Благоприятные условия соответствуют прочным скальным породам, неблагоприятные - рыхлым породам.
Два следующих критерия являются специальными и основаны на нормативных источниках, регламентирующих проектирование и строительство транспортных сооружений [11].
8. Оценка естественных оснований. Данный критерий оценивается по условиям увлажнения оснований с учетом характеристик влажности, свидетельствующих о прочности основания. Благоприятные - сухие (прочные) основания, относительно благоприятные - сырые (недостаточно прочные), неблагоприятными являются мокрые (слабые) основания.
9. Устойчивость грунтов в выработке. Данный критерий ориентировочно оценивается для скальных и полускальных пород по коэффициенту крепости Протодьяконова, для дисперсных связных - по консистенции. Благоприятными являются горные породы устойчивые и средней степени устойчивости, относительно благоприятны - породы слабой устойчивости и неблагоприятны -совершенно неустойчивые.
В зависимости от полученного интегрального показателя на основании теории нечетких множеств [14] определялась степень пригодности территории. Для количественного описания степени пригодности использовалась лингвистическая переменная пригодность, совокупность значений которой, описывается следующим терм-множеством:
Т(пригодность) = Непригодная + + Малопригодная + Пригодная.
Лингвистическая переменная пригодность соответствует числовой переменной пригодность, принимающей значения 0,1,2...27 (9 критериев по 3 балла оценки) и является базовой переменной. Лингвистическое значение пригодная интерпретируется как название некоторого нечеткого ограничения
Пригодность
Рис. 1. Функции совместимости значений пригодная, малопригодная и условно пригодная для формализации
результатов инженерно-геологической оценки
Рис.2. Схема районирования юго-западного Приморья по пригодности для транспортного
освоения (фрагмент)
на значения базовой переменной и характеризуется функцией совместимости, которая каждому значению базовой переменной ставит в соответствие число из интервала [0...1], символизирующее совместимость этого значения с нечетким ограничением (рис.1).
На основании полученного графика функции терм-множества пригодность была определена степень пригодности территории к строительству объектов транспортной сети (рис.2). Пригодная территория предпо-
лагает благоприятные условия, когда строительство возможно по типовым проектам. Малопригодная территория имеет ограниченно благоприятные условия; наряду с типовыми проектами, потребуется разработка комплексных мероприятий. Территория, отнесенная к условно пригодной, имеет неблагоприятные условия и либо по трассе в целом, либо на отдельных ее участках потребуются сложные инженерные решения при проектировании и строительстве.
Таким образом, из восемнадцати инженерно-геологических районов, выделенных в Юго-Западном Приморье, территория четырех является пригодной для строительства транспортных сооружений, одиннадцати -малопригодной и трех условно пригодной.
Выводы
Для Дальневосточного региона характерно наличие районов с очень сложными и изменчивыми инженерно-геологическими условиями, определяемыми специфическими геодинамическими условиями, что обуславливает значительный природный риск функционирования сети железных дорог, который необходимо учитывать при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации. Для оценки их сложности авторы предложили на основе анализа интегрального показателя инженерно-геологических условий с использованием теории нечетких множеств определять степень пригодности районов, участков для транспортного освоения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаркуша С.В. Сейсмичность и неотектоника юга Дальнего Востока России / С.В.Гаркуша, Ф.С.Онухов, Ф.Г.Корчагин // Тихоокеанская геология. 1999. № 5.
2. Геология зоны БАМ: В 2 томах. Т.2. Гидрогеология и инженерная геология. Л.: Недра, 1988.
3. Геология СССР. Т.32. Приморский край. Ч.1. Геологическое описание. М.: Недра, 1969.
4. Гидрогеология СССР. Т.23. Хабаровский край и Амурская область / Под ред. Н.А.Маринова. М: Недра, 1971.
5. Инженерная геология СССР: В 8 томах. Т.4. Дальний Восток / Под ред. Е.Г.Чаповского. М.: Изд-во МГУ, 1977.
6. Корчагин Ф.Г. Геодинамика Амурского геоблока // Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений: I Российско-Японский семинар, 26-29 сентября 2000 г. / Под ред. Ф.Г.Корчагина. Хабаровск: Изд-во ДВО РАН, 2001.
7. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Специальная инженерная геология. Л.: Недра, 1978.
8. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. Л.: Недра, 1984.
9. Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации. ОСР-97. Комплект карт и другие материалы для Строительных норм и правил // СНиП «Строительство в сейсмических районах» Миннауки и технологий РФ / РАН. Отд. Ин-та физики Земли. М, 1998.
10. СНиП 22-01-95. Геофизика опасных природных воздействий. М.: Госстандарт, 1995.
11. СП 32-104-98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. М.: Госстандарт, 1998.
12. Справочник по климату СССР. Хабаровский край и Амурская область: Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. Л.: Гемиз, 1968. Вып.25. IV.
13. Тектоническое районирование и глубинные неоднородности сопредельных территорий востока России и Китая / А.А.Врублевский, Ф.С.Онухов, В.Г.Корчагин, Чжао Чунь Цзинь и др. // Вестник ДВО РАН. 1996. № 3.
14. Zadeh L.A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning / American Elsevier Publishing Company. New York, 1973.
