CC BY
6
/16 "Civil SecurityTechnology", Vol. 16, 2019, No. 4 (62) УДК 614.8
Применение метода динамико-геофизических испытаний для оценки опасности промышленных насыпей и полигонов твердых бытовых отходов
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2019
Г.М. Нигметов, М.В. Сошенко, В.И. Шмырев
Аннотация
Рассмотрены накапливаемые промышленные и бытовые отходы как источники загрязнения среды и как очаги гидрогеологической опасности. Оценено увеличивающиеся их количество и возрастающее на них воздействие природных и техногенных факторов в виде вибрации, сейсмических колебаний, увлажнения. Это приводит к нарушениям их высотной трехмерной геометрии и массы. По изменениям их собственных колебаний, скорости прохождения импульсов по их телу выполняется оценка их жесткости и устойчивости.
Ключевые слова: мусорные полигоны; грунтовые склоны; метод динамико-геофизических испытаний; частота собственных колебаний; грунтовые холмы и склоны; влияние динамических нагрузок; оползневая опасность склонов; механическая устойчивость бытовых и промышленных полигонов; динамико-геофизический мониторинг устойчивости.
Use of Dynamic Geophysical Tests to Assess the Hazard Associated with Landfills of Solid Industrial and Domestic Waste
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2019
G. Nigmetov, M. Soshenko, V. Shmyrev
Abstract
Landfills of industrial and household waste are considered as sources of environmental pollution and hot spots of hydrogeological hazard. Their growth and increasing exposure to natural and man-made factors such as seismic and other vibrations and moisture are estimated. The factors affect the 3D-geometry of the landfills. Their rigidity and stability is assessed based on the changes in their own vibrations, the speed of impulses passing through their body.
Key words: waste landfills; soil slopes; dynamic geophysical tests; natural-vibration frequency; ground hills and slopes; effect of dynamic loads; landslide hazard on slopes; mechanical stability of domestic and industrial landfills; monitoring of dynamic geophysical stability.
Статья поступила в редакцию 27.09.2019.
Постановка задачи
При накапливании промышленных и бытовых отходов образуются большие скопления высотных насыпей, которые при отсутствии достаточной трамбовки и отклонений от требуемой геометрии и воздействия влаги, могут потерять устойчивость.
На территориях промышленно развитых областей каждый год может образовываться до 10 млн м3 твердых бытовых отходов, а накопленное количество отходов может составлять сотни млн м3. По составу отходы состоят на 30-50% из горючих материалов и на 2040% — из негорючего балласта: металла, стекла. Свалки имеют большие размеры и непрерывно увеличиваются по высоте и площади.
Рис. 1. Свалка мусора Газипур в Нью-Дели (Источник: AFP 2019)
Например, на свалку Газипур в Индии, которая была открыта в 1984 году, каждый день сбрасывается около 2000 тонн мусора, и она вырастает каждый год на 10 метров в высоту. Отходы, хранящиеся в Газипуре, представляют собой рыхлую и ничем не защищенную органику, которая разлагается. Процессы гниения вызывают нагрев мусора и производят много метана. Случайные пожары дестабилизируют конструкцию холма еще сильнее, не говоря о смрадном смоге, загрязняющем воздух.
Индия считается одним из крупнейших производителей мусора во всем мире, который уже давно столкнулся с «кризисом отходов». Если меры не будут предприняты в ближайшее время, то Газипур и соседние мусорные свалки вырастут настолько, что очистить их станет невозможно.
Для снижения загрязнения окружающей природной среды вместо неконтролируемых свалок строят полигоны для твердых отходов. Для них обычно выбирают место в глинистом грунте, где можно складировать отходы в течение 20-25 лет и более. Основание выбранной площадки делается в виде большого корыта глубиной 1,5 м и более для скапливания в нем фильтрата. Если глинистого грунта нет и основание для полигона приходится делать в водопроницаемом грунте, то необходимо проводить изоляцию водонепроницаемым материалом. Для размещения полигонов твердых бытовых отходов (далее — ТБО) часто используют овраги и другие неудобные для сельского хозяйства земли.
Основными проблемами, возникающими при захоронении ТБО на полигонах, являются:
1) вымывание веществ и загрязнение грунтовых вод;
2) образование метана;
3) просадки и сползание грунтов.
В Российской Федерации переработке подвергается только 4% отходов. Остальной мусор хранится на полигонах.
Площадь свалок непрерывно увеличивается.
Суммарная площадь всех российских свалок — больше четырех миллионов га. Ежегодный прирост площади — примерно 0,4 млн га, что эквивалентно суммарной площади Москвы и Петербурга.
На свалки попадает не только органика. Органические вещества разлагаются за небольшой промежуток времени — как правило, не больше года. Но на свалки попадает мусор, который быстро не разлагается или совсем не разлагается, так как до сих пор в России не организован раздельный сбор мусора.
Таким образом, полигоны являются источниками не только гидрогеологической, но и экологической опасности. Для контроля состояния механической устойчивости конусообразных насыпей полигонов необходимо иметь надежный метод, обеспечивающий контроль высотных насыпей от возможного сползания и разрушения.
Применение метода динамико-геофизических испытаний для оценки влияния различных видов динамических нагрузок на оползнеопасный склон
Следует рассмотреть практический пример применения метода динамико-геофизических испытаний для оценки оползнеопасности склона в условиях крупного города. На берегу р. Волги в г. Ульяновске в районе важнейшего пункта транспортной развязки города — так называемой «грузовой восьмерки» — произошел сход оползня. Необходимо было определить влияние различных факторов на это событие. В рассматриваемом примере для оценки влияния различных видов динамических нагрузок на оползнеопасный грунтовый склон применялся метод динамико-геофизических испытаний. С помощью метода динамико-геофизических испытаний определялись величины виброускорений в различных точках склона, выполнялся спектральный анализ Фурье, определялись частоты собственных колебаний склона.
Рассматривались и сравнивались случаи воздействия на грунт склона импульсных и вибрационных нагрузок, которые возникали при забивке фундаментных свай, прохождении составов поездов, проезде большегрузных грузовиков и проезде трамваев. Сравнивались величины ускорений по трем осям в контрольных точках на местности в радиусе 150 м.
Датчики устанавливались следующим образом:
1 датчик—край дороги, где произошел сход оползня в 300 м от железной дороги и 200 м от сваебойной машины;
2 датчик — верх бетонного кольца дренажного колодца на удалении 100 м от сваебойной машины;
3 датчик — фундамент опоры здания на удалении 84 м от датчика 2;
4 датчик — на фундаментной плите строящегося здания и переставлялся в точку, расположенную в 2 м от сваебойной машины у фундамента здания;
Ось У датчиков была направлена в сторону р. Волги (восточное направление).
Результаты анализа данных динамико-геофизических испытаний
Динамико-геофизические испытания грунтового массива проводились с целью оценки размеров зон распространения сейсмодинамических возмущений от источников воздействия.
Для оценки технического состояния сооружений и грунтовых массивов применялся метод динамико-геофизических испытаний, основанный на оценке интегральной жесткости сооружения по его собственным колебаниям и сравнении их с нормативными
значениями частот собственных колебаний, полученных из расчетов.
Нормативное значение периода собственных колебаний грунтового массива склона при известных значениях высоты и плотности грунта рассчитывалось по следующей зависимости:
'р
где:
Tlx = 2,63 х HJG
р — плотность, рассматриваемого блока грунтового массива;
О — модуль сдвига грунтового массива;
Н — высота блока грунтового массива.
Расчетное значение ускорения а от точечного источника, например при забивке свай на удаление г от сваи можно определить по следующей зависимости [ВСН 490-87]:
в г д
Рис. 2. (а) Пункт сбора данных динамико-геофизических испытаний при воздействии динамических и фоновых нагрузок на грунтовый массив в районе строительной площадки жилого комплекса «Пионер-парк» и автомобильной дороги — так называемой «грузовой восьмерки» — в месте схода оползня в г Ульяновске. Место установки датчика № 2 на железобетонном кольце дренажной системы строительной площадки. (б) Место установки датчика № 1 на краю «грузовой восьмерки» в районе схода оползня. (в) Место установки датчика № 3 на фундаменте опоры линии электропередачи. (г) Место установки датчика № 4 на фундаментной плите строящегося здания в районе забивки фундаментных свай. (д) Вид на строительную площадку с кранами и установками для погружения в грунт фундаментных свай
б
а
-d (г-
a = a„ х. — х e
где:
а0 — ускорение на удалении 0,5 м от центра забиваемой сваи (в нашем случае — 7,8 м/с2); г0 = 0,5 м;
г — контрольное расстояние от центра забиваемой сваи (в нашем случае — 8 м);
d — коэффициент затухания колебаний в грунте равный 0,07.
Допустимое ускорение вертикальных колебаний фундамента принимается по табл. 2 [ВСН 490-87].
В процессе динамико-геофизических измерений были получены периоды собственных измерений и ускорения в пространственной системе координат Х, У, Z. Результаты измерений представляются на рис. 3-5.
Полученные при динамико-геофизических испытаниях данные были сведены в таблицу, где:
А — ускорения по оси Х;
Ау — ускорения по оси У;
А — ускорения по оси Z.
Рис. 3. Пример ускорения грунтового массива по оси Х при прохождении груженного грузового автомобиля, массой 35 т; фиксирование резких подвижек грунтового массива в районе дренажного колодца
Рис. 4. Пример ускорения грунтового массива по оси Х при прохождении железнодорожного состава
Рис. 5. Пример ускорения грунтового массива по оси X при погружении фундаментной сваи усилием 2,5 т
Рис. 6. Пример ускорения грунтового массива по оси X при погружении фундаментной сваи усилием 5 т
Таблица
Результаты динамико-геофизических испытаний грунтового массива
Объект и виды измерений Ах, м/с2 А, м/с2 у Az, м/с2
0,003 0,003 0,004
Грунтовый массив, фоновые воздействия 0,015 0,03 0,01 0,01 0,005 0,005
0,004 0,004 0,003
0,004 0,004 0,004
Грунтовый массив, прохождение трамваев 0,01 0,03 0,01 0,01 0,02 0,005
0,008 0,003 0,004
0,01 0,017 0,01
Грунтовый массив, прохождение 35-тонного грузовика 0,042 0,03 0,05 0,02 0,09 0,005
0,006 0,006 0,002
0,005 0,004 0,005
Грунтовый массив, забивка свай 2,5-тонным дизель-молотом 0,022 0,022 0,02 0,015 0,01 0,01
0,15 0,3 0,2
0,006 0,0041 0,0052
Грунтовый массив, забивка свай 5-тонным гидравлическим устройством 0,045 0,03 0,03 0,03 0,015 0,01
0,52 1,25 0,6
0,02 0,005 0,005
Грунтовый массив, прохождение железнодорожного состава 0,01 0,02 0,01 0,015 0,0075 0,0075
Выводы
Результаты динамико-геофизических измерений показали, что наибольшие ускорения и перемещения грунтового массива склона вызывают движения грузовых железнодорожных эшелонов и движение большегрузных автомобилей. Максимальные ускорения возникают по оси Х (вдоль р. Волги в этом направлении и произошли максимальные сползания грунтов). Динамические нагрузки, возникающие при погружении свай, фиксируются в районе схода оползня на уровне фоновых и не могли быть причиной схода оползня. Главной причиной схода оползня явилось сильное увлажнение грунтового массива и резонансные динамические воздействия от прохождения поездов и большегрузных автомобилей.
Таким образом, рассмотренный пример показывает: чтобы обеспечить устойчивость склонов на бортах промышленных и бытовых отходов необходимо:
1. Создавать эффективные системы водоотвода, через дренажные и ливневые системы.
2. Не допускать возникновения резонансных явлений в сочетании с сильными динамическими воздействиями, то есть не располагать свалки ТБО возле железнодорожных путей и других источников интенсивного динамического воздействия.
3. Рекомендуется для контроля за устойчивостью склонов на бортах промышленных и бытовых отходов устанавливать станции комплексного динамико-геофизического мониторинга.
Литература
1. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле / Пер. с англ. Изд. 3-е, стереотипное. М.: Ком Книга. 2007. 440 с.
2. Нигметов Г. М., Рыбаков А. В., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Современные подходы к оценке опасности обрушения сооружений // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т. 15. № 2 (56).
3. Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений. М.: ВНИИ ГОЧС, 2003.
4. Снитко Н. К. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1980.
5. Нигметов Г. М., Акатьев В. А., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Оценка сейсмостойкости зданий динамико-геофизическим методом с учетом особенности взаимодействия сейсмической волны с системой «грунт-сооружение» //Строительная механика и расчет сооружений. 2018. Вып. 1. С. 24-30.
6. Коробко В. И., Коробко А. В. Контроль качества строительных конструкций: виброакустические технологии. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2003.
7. Волновые процессы в конструкциях зданий при сейсмических воздействиях. М.: Наука, 1987.
Сведения об авторах Information about the authors
Нигметов Геннадий Максимович: к. т. н, доц., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), в. н. с. науч.-исслед. центра. 121352, Москва, Давыдковская ул., 7. е-таН: tagirmaks@mail.ru SPIN-код — 8578-2778.
Сошенко Марина Владимировна: к. т. н, доц., Российский Государственный социальный университет, доц. каф. 129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр. 1. е-таН: soshenkomv@mail.ru SPIN-код — 8424-7625.
Шмырев Виктор Иванович: к. т. н, доц., Российский Государственный социальный университет, доц. каф. 129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр. 1. е-mail: shmyrevvi@rgsu.net SPIN-код — 1643-8645.
Nigmetov Gennady M.: Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Researcher of research center. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: tagirmaks@mail.ru SPIN-scientific — 8578-2778.
Soshenko Marina V.: Cand.Sci. (Engineering), Associate Professor, Russian State Social University, Associate Professor of the department.
st. Wilhelm Pieck, 4, p. 1, Moscow, 129226, Russia. e-mail: soshenkomv@mail.ru SPIN-scientific — 8424-7625.
Shmyrev Victor I.: Cand.Sci. (Engineering), Associate Professor, Russian State Social University, Associate Professor of the department.
st. Wilhelm Pieck, 4, p. 1, Moscow, 129226, Russia. e-mail: shmyrevvi@rgsu.net SPIN-scientific — 1643-8645.
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Романов А.А. и др. Международная гуманитарная помощь: опыт, реалии, перспективы. Актуальные вопросы формирования культуры безопасности населения (международные аспекты). XXIII Международная научно-практическая конференция по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. 7 июня 2018 г., Ногинск, Россия. Материалы конференции https://elibrary.ru/item.asp?id=36660995
В.И. Пискарев и др. Совершенствование гражданской обороны в Российской Федерации: Материалы Всероссийского совещания с руководителями федеральных органов исполнительной власти и органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации по проблемам гражданской обороны и защиты населения и XIII научно-практической конференции «Совершенствование гражданской обороны в Российской Федерации», г. Ногинск, 6 июня 2018 г. https://elibrary.ru/item.asp?id=36778035
Кайнер Марко и др. Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций в Арктике. Международная научно-практическая конференция. 18-20 июля 2018 года, г. Мурманск. Материалы конференции https://elibrary.ru/item.asp?id=36710837
Н.Н. Посохов и др. Информационный бюллетень о деятельно-сти функциональных и территориальных подсистем РСЧС в I полугодии 2018 года https://elibrary.ru/item.asp?id=36829114
Анализ деятельности МЧС России по подготовке и проведению мероприятий по обеспечению безопасности при проведении в Российской Федерации чемпионата мира по футболу FIFA2018 года https://elibrary.ru/item.asp?id=37083242
Акимов В. А. Общая теория безопасности жизнедеятельности в современной научной картине мира https://elibrary.ru/item.asp?id=36813168
