CC BY
66
1 2 1 ©
Дудлер И.В. , Воронцов Е.А. , Лярский С.П.
^сЭнергопроекттехнология», (Г осударственная Корпорация «Росатом»);
2
Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ» НИУ)
ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ В XXI
ВЕКЕ
Аннотация
В статье отмечается, что в современных условиях основным объектом изучения в инженерной геологии следует считать техногенно-измененную геологическую среду, представляющую собой высоко динамичную систему с трендом перманентного возрастания мощности наиболее измененных её верхних зон/ярусов. Подчеркивается, что идеология инженерной геологии должна исходить из учета природно-технических систем нового типа: «техногенно-измененная геологическая среда - строительные объекты -территория их размещения и влияния». Формулируются приоритеты инженерной геологии в XXI веке. В их числе изучение характера и закономерностей техногенных изменений геологической среды, развитие инженерных аспектов инженерной геологии и развитие широкого спектра инженерно-геологических технологий. Соответствующие приоритеты детализируются применительно ко всем научным направлениям инженерной геологии. Отмечается и обосновывается необходимость дополнительного включения в эти направления инженерно-геологических технологий и методологии инженерно-геологических изысканий. Подчеркивается, что XXI век открывает новый этап развития инженерной геологии, которая должна стать наукой об управлении техногенными изменениями геологической среды.
Ключевые слова: инженерная геология, научные направления инженерной геологии, техногенно-измененная геологическая среда, инженерно-геологические технологии, методология инженерно-геологических изысканий.
Keywords: engineering geology, research areas of engineering geology, anthropogenic-modified geological environment, geological engineering techniques, methodology of engineering-geological surveys.
Вступление
Становление и развитие инженерной геологии прошло, как отмечал Е.М. Сергеев [1], три этапа. На первом этапе (1923-1945 гг.) сформировались два научных направления инженерной геологии - грунтоведение и инженерная геодинамика. На втором этапе (19461978 гг.) оформилось третье научное направление - региональная инженерная геология.
Началом третьего этапа считается 1979 г., когда по инициативе Е.М. Сергеева, поддержанной МАИГ, инженерная геология «превращается в науку о геологической среде» [1]. Уже в то время ставятся задачи не только рационального использования и охраны геологической среды, но также изучения и прогнозирование её изменений под влиянием инженерной деятельности человека. Тем не менее, основным объектом изучения остается природная геологическая среда.
За последующие годы техногенные изменения геологической среды непрерывно прогрессировали. Начало XXI века вызвало дальнейшее усиление техногенных воздействий на геологическую среду. Это обусловлено интенсификацией строительства, возведением технически сложных и особо опасных объектов, в том числе глубокого заложения, осуществлением строительства и реконструкции объектов на застроенных территориях. Под влиянием производственной и хозяйственной деятельности человека техногенные изменения
© Дудлер И.В., Воронцов Е.А., Лярский С.П., 2015 г.
геологической среды развиваются не только на освоенных, но и на неосвоенных территориях. При этом техногенным изменениям подвергаются все компоненты геологической среды, в том числе на значительных глубинах. Так, например, под влиянием стока горячих и агрессивных вод на площадках АЭС резко активизируется погребенный карст, а под влиянием возрастания градиента вертикальной фильтрации (при подтоплении и срезке пьезометрического уровня напорных вод) и карстово-суффозионные процессы. Следует подчеркнуть, что региональные инженерно-геологические условия во многом определяются не только особенностями природной геологической среды региона, но и спецификой региональных техногенных нагрузок и воздействий, приводящих к её изменениям. Поэтому есть все основания говорить об актуальности приоритетного изучения инженерной геологией техногенно-измененной геологической среды, причем не только в границах размещения каких-либо инженерных объектов, но и в зонах их влияния на все компоненты окружающей среды. Соответственно современная идеология инженерной геологии должна исходить из особенностей создания, функционирования и трансформации высокодинамичных природно-технических систем (ПТС) нового типа: «Техногенно-измененная геологическая среда - инженерный объект - территория его размещения и влияния».
Следует подчеркнуть, что техногенно-измененная геологическая среда представляет собой многоярусную систему [2; 3]. Три верхних яруса (верхний, средний и нижний) являются высоко-, средне- и низко техногенно-изменёнными, соответственно. И только базальный ярус остается природным или квазиприродным (см. табл. 1).
Таблица 1
Ярусы техногенно-измененной геологической среды и их характеристика
Ярус Степень техногенных изменений Техногенные факторы Г лубина подошвы,м XX/ XXI век
Верхний Высокая Планировка рельефа местности, техногенные грунты, подземные коммуникации и фундаменты, статические и динамические нагрузки, физикохимические, электрофизические, тепловые и другие воздействия, техногенный режим грунтовых вод 5/15
Средний Средняя Фундаменты свайные и глубокого заложения, водопонижение, комплекс подземных сооружений, изменения НДС массива грунтов, природно-техногенныйрежим подземных вод 25/50
Нижний Низкая Изменение НДС массива грунтов, природнотехногенный режим подземных вод 100/150
Размеры этих ярусов различны, они изменяются в зависимости от характера и масштаба техногенных нагрузок и воздействий, в том числе от глубин использования подземного пространства. При этом отмечается четкая тенденция быстро прогрессирующего возрастания мощностей верхних ярусов.
Высокая степень техногенных изменений верхнего яруса обусловлена планировкой рельефа местности, образованием техногенных грунтов, наличием подземных коммуникаций и фундаментов, действием, статических и динамических нагрузок, физико-химическими, электрофизическими, тепловыми и другими воздействиями, а также техногенным режимом грунтовых вод.
Основными факторами техногенных изменений среднего яруса являются создание свайных фундаментов и фундаментов глубокого заложения, водопонижение, наличие комплекса подземных сооружений, изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива грунтов, и формирование природно-техногенного режима подземных вод.
Нижний квазиприродный ярус характеризуется незначительными изменениями НДС, реже локальным расположением отдельных подземных сооружений.
Максимальная глубина подошвы этих ярусов в XX веке составляла примерно 5, 25 и 100 м, а в начале XXI века возросла до 15, 50 и 150 м соответственно. Адекватно возросли мощности каждого яруса.
Негативные последствия техногенных изменений геологической среды выдвигают перед инженерной геологией не только задачи рационального использования и охраны геологической среды в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека, о чем писал Е.М. Сергеев [1]. Актуальной стала задача управления техногенными изменениями геологической среды и геологическими рисками. Решение этих задач повышает роль инженерной геологии в обеспечении безопасности населения и надежности строительных объектов при создании, функционировании и трансформации разнообразных ПТС.
Приоритеты инженерной геологии в XXI веке
Прогрессирующие техногенные изменения геологической среды, специфика современного строительства и повышение требований к безопасности населения выдвигают перед инженерной геологией новые задачи. Инженерная геология сохраняет и, безусловно, будет сохранять в дальнейшем естественный геолого-генетический базис, однако отмеченные положения требуют дальнейшего развития инженерной геологии в её теоретических и практических (прикладных) аспектах [2; 4].
Основными приоритетами инженерной геологии в XXI веке, по мнению авторов должны явиться:
- преимущественное изучение характера и закономерностей техногенных изменений геологической среды с оценкой предельно допустимых техногенных нагрузок и допустимых рисков проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов;
- развитие инженерных аспектов всех научных направлений инженерной геологии, в том числе во взаимосвязи с методологией современной геотехники - как междисциплинарной области знаний и деятельности, посвященной изучению, расчетам и строительной реализации взаимодействия геологической среды с подземными, заглубленными и надземными сооружениями, в том числе из грунтовых материалов;
- совершенствование комплекса технологий получения, обработки и использования инженерно-геологической информации, ведения прогнозного и охранного мониторинга для обоснования управления техногенными изменениями геологической среды.
Отмеченные приоритеты отражают новую идеологию инженерной геологии, которую можно сформулировать как инженерно-геологическое управление техногенными изменениями геологической среды инженерных объектов и зон их влияния.
Данную идеологию следует распространять не только на все выделяемые ранее, но и новые научные направления инженерной геологии, к которым, по мнению авторов, следует отнести инженерно-геологические технологии и методологию инженерно-геологических изысканий.
С позиций этой идеологии инженерной геологии крайне важно акцентировать внимание на инженерно-геологическом управлении в строительстве. Это актуально не только для особоопасных и технически сложных объектов, но и для так называемых «директивных» строительных объектов, размещение которых задается без выбора площадки, то есть там, где необходимо. Именно в этом случае особенно важно не только изыскательское обоснование проекта, но и комплексное инженерно-геологическое управление созданием и функционированием данного объекта, а также зданий и сооружений в зоне его влияния. Изложенное выше, позволяет считать, что XXI век призван открыть новый этап инженерной геологии, когда она должна превратиться в науку об управлении техногенными изменениями геологической среды.
Основными аспектами сформулированной идеологии инженерной геологии по её научным направлениям являются.
а) в области грунтоведения
- изучение характера и закономерностей техногенных изменений состава, строения и свойств техногенно-измененных грунтов [2; 5];
- изучение природы свойств грунтов на наноуровне в дополнение к традиционным исследованиям грунтов на «стандартном» микроуровне, мезоуровне (образцы) и макроуровне (в массиве) [6];
- исследование особенностей поведения грунтов в измененном напряженнодеформированном состоянии, при измененном тепло-влажностном режиме и при загрязнении промышленными стоками, а также в условиях передачи нагрузок на грунты по заданным траекториям и при сочетании разных видов воздействий (статических, динамических и других).
б) в области инженерной геодинамики
- изучение закономерностей развития и проявления техногенно-инициированных геологических процессов, в том числе под влиянием разных видов техногенных нагрузок и воздействий;
- исследование синергетического эффекта при развитии инженерно-геологических процессов на территориях с разным комплексом техногенных нагрузок и воздействий;
- разработка методики оценки допустимых нагрузок на геологическую среду и допустимых рисков проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов;
- разработку методик и новых технологий ведения прогнозного и охранного инженерно-геологического мониторинга на территориях возможного проявления опасных геологических процессов.
в) в области региональной инженерной геологии
- изучение закономерностей изменений инженерно-геологических условий под влиянием различных комплексов техногенных нагрузок и воздействий, характерных для разных инженерно-геологических регионов;
- разработка методики и критериев оценки категорий геологических рисков, приоритетных для разных инженерно-геологических регионов с учетом специфики их техногенных изменений;
- разработка методики составления региональных инженерно-геологических и геолого-строительных карт с отражением техногенных изменений геологической среды.
Следует заметить, что еще в начале 80-х годов прошлого века Е.М. Сергеев обращал внимание на актуальность методологии и технологии инженерно-геологических работ применительно к прикладным направлениям инженерной геологии [1]. В современных условиях вопросы методологии и технологии приобретают существенно возросшее значение [8; 9].
Развитие технического прогресса в XXI веке во всех отраслях науки и техники базируется на развитии соответствующих технологий. Это в полной мере относиться и к инженерной геологии. Практика показывает, что нарушение технологии изысканий зачастую приводит не только к большей их длительности и удорожанию, но и к ошибкам, которые в ряде случаев могут привести к чрезвычайным ситуациям на этапах строительства и эксплуатации объектов. Рассматриваемое научное направление «Инженерно-геологические технологии» должно предусматривать развитие следующих технологий:
- инженерно-геологических изысканий [8];
- геоинформационных (связанных с рациональной организацией хранения и постоянным поддержанием в актуальном состоянии больших объемов цифровой изыскательской информации, а также её комплексным эффективным использованием);
- моделирования опасных геологических и инженерно-геологических процессов;
- технической мелиорации грунтов, в том числе на основе создания геокомпозитов с использованием наноматериалов;
- инженерно-геологического контроля изменений геологической среды в зоне производства строительных работ и в зоне возможного влияния строительства на окружающую застройку;
- прогнозного и охранного инженерно-геологического мониторинга геологической среды, в том числе её техногенных изменений на всех этапах жизненного цикла строительных объектов.
Следует подчеркнуть, что развитие инженерно-геологических технологий существенно повышает инженерную составляющую всех научных направлений инженерной геологии.
Кратко остановимся на вопросе развития методологии инженерно-геологических изысканий. До настоящего времени эти изыскания рассматривались как производственный процесс, который должен учитывать достижения отмеченных выше традиционных научных направлений инженерной геологии. Между тем, возросшие в последние годы требования к надежности и безопасности строительных объектов обуславливают необходимость существенного развития методологии инженерно-геологических изысканий [8; 9]. При этом необходимо учитывать значение для практики инженерных изысканий законов инженерной геологии и их основные следствия [10].
Принципиальное значение в свете отмеченных приоритетов инженерной геологии имеет установление категории сложности инженерно-геологических условий. В частности, расширение контролируемых факторов, учет степени техногенных изменений геологической среды и использование количественных критериев, необходимых для принятия инженерных решений [11].
Современная методология инженерно-геологических изысканий должна
предусматривать необходимый уровень организационного взаимодействия и синхронизации работ изыскателей и проектировщиков. Это, в свою очередь, требует реализации принципа адекватности требований технических заданий к инженерно-геологической информации, её содержанию и использованию для принятия необходимых и достаточных управляющих и инженерно-технических решений в строительстве. При этом речь идет о строительстве в целом, в том числе обо всех этапах жизненного цикла строительных объектов, обо всех отраслях строительства и всех участниках строительного комплекса. Это положение должно найти отражение в развитии всех научных направлений инженерной геологии, в развитии инженерно-геологического образования специалистов строительного комплекса [7], а также должно быть закреплено в соответствующей нормативной базе.
Есть все основания считать, что в настоящее время начинается новый этап развития инженерной геологии, которая должна стать наукой об управлении техногенными изменениями геологической среды, являющейся неотъемлемой частью создаваемых, функционирующих и трансформируемых высокодинамичных ПТС различных видов и масштабов.
Учет изложенных в докладе положений будет способствовать эффективному инженерно-геологическому управлению техногенными изменениями геологической среды и геологическими рисками, а также повышению безопасности, надежности и техникоэкономической эффективности строительства на всех этапах жизненного цикла строительных объектов. В целом изложенная концепция дальнейшего развития идеологии инженерной геологии, её научных направлений и приоритетов повышает роль данной науки в решении указанных задач.
Таким образом, техногенные нагрузки и воздействия вызывают изменения природной геологической среды, формируют техногенно-измененную геологическую среду, особенно в её верхних зонах/ярусах, что обуславливает специфические природно-техногенные инженерно-геологические условия строительства на освоенных территориях (рис.1).
Рис. 1. Формирование техногенно-измененной геологической среды и природно-техногенных инженерно-геологических условий
Возникает необходимость реализации особого подхода к инженерно-геологическому обоснованию размещения и проектирования строительных объектов, сопровождению их возведения, эксплуатации, реконструкции и ликвидации. В этой связи в рамках выдвинутой концепции инженерно-геологического управления техногенными изменениями
геологической среды становятся очевидными выделенные авторами приоритеты инженерной геологии в XXI веке (рис. 2).
Рис. 2. Приоритеты инженерной геологии в концепции инженерно-геологического управления техногенными изменениями геологической среды
Реализация указанной концепции и принципов, отраженных в отмеченных приоритетах, требует развития традиционных научных направлений инженерной геологии и их дополнения новыми направлениями, актуальными в современных условиях (рис.3). Следует особо подчеркнуть взаимосвязь всех научных направлений, как в теоретических, так и в прикладных аспектах.
Рис. 3. Научные направления инженерной геологии XXI века и взаимосвязи между ними
Выводы
1. Начало XXI века призвано открыть новый этап в развития инженерной геологии -превращении её в науку об управлении техногенными изменениями геологической среды.
2. Основным объектом изучения инженерной геологии в современных условиях следует считать техногенно-измененную геологическую среду.
3. Приоритетами инженерной геологии XXI века должны явиться:
- изучение характера и закономерностей техногенных изменений геологической среды с оценкой предельно допустимых техногенных нагрузок и допустимых рисков проявления опасных геологических процессов;
- развитие и усиление роли инженерных аспектов инженерной геологии и всех её научных направлений;
- совершенствование комплекса инженерно-геологических технологий.
4. В научные направления инженерной геологии следует дополнительно включить инженерно-геологические технологии и методологию инженерно-геологических изысканий.
5. В современных условиях особое значение приобретает необходимость повышения уровня взаимодействия специалистов в области инженерной геологии со всеми участниками строительного комплекса, в том числе с геотехниками, осуществляющими расчеты взаимодействия строительных конструкций и технологий с геологической средой.
6. Решение приоритетных задач инженерной геологии требует инновационных подходов к развитию технических средств, методик и программного обеспечения
исследовательских и изыскательских работ, а также дальнейшего совершенствования их нормативного обеспечения.
Литература
1. Сергеев Е.М.Теоретические основы и проблемы инженерной геологии // Доклады 27 Межд. геолог. Конгресса 1984 г., секция С.17, том 17. С. 15-21.
2. Дудлер И.В. Учение Е.М. Сергеева о геологической среде и некоторые аспекты его современного развития // Сергеевские чтения, вып.2 (Материалы годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии). М.: ГЕОС, 2000. С. 268-273.
3. Дудлер И.В., Воронцов Е.А. Оценка и учет при инженерно-геологических изысканиях природных и природно-технических условий храмового зодчества (на примере г. Москвы) // Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси. Сб.трудов 1-го Межд. Научно-практического симпозиума. 7-11 окт.2000 г., г.Сергиев Посад. Московская Патриархия, Троице-Сергиева Лавра, 2002. С. 40-49.
4. Дудлер И.В. Развитие направлений инженерной геологии // Труды научной конференции «Новые идеи в Инженерной геологии». М.: МГУ, 1996. С. 91-92.
5. Дудлер И.В. Изменения грунтов и инженерно-геологических массивов в эпоху техногенеза (понятия, аспекты, факторы и закономерности) // Труды Международной научной конференции «Эволюция инженерно-геологических условий Земли в эпоху техногенеза». М.: МГУ, 1997. С. 51-57.
6. Дудлер И.В., Вознесенский Е.А. Направления и перспективы применения нанотехнологий в инженерно-геологических исследованиях // X Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», М. РГГРУ, 12-15 апреля. 2011г. Доклады в 3 т., Изд. М.: Москва-Принт, 2011, т.3, с. 51.
7. Дудлер И.В., Воронцов Е.А., Лярский С.П. Подготовка специалистов строительного комплекса в области инженерной геологии // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. № 62, 2015. С. 78-82.
8. Дудлер И.В., Хайме Н.М., Лярский С.П. Методология инженерных изысканий для особо опасных, технически сложных и уникальных объектов // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2012, № 5, С. 117-131.
9. Dudler I.V., Khayme N.M. Significance and Principles of Engineering Site Investigations for Guarantee of People Safety on the Territories of Especially Hazardous and Technically Complicated Constructions Installation //Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety/ International conference EngepPro-2011. Moscow, 6-8.09.2011, P. 239-240.
10. Дудлер И.В. Законы инженерной геологии, их основные следствия и значение для практики инженерных изысканий // Труды Международной научной конференции «Теоретические проблемы инженерной геологии». М.: МГУ, 1999. С.35-39.
11. Дудлер И.В., Хайме Н.М. Оценка категорий сложности инженерно-геологических условий для строительства особо опасных, технически сложных и уникальных объектов // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2011, № 1, с. 75-86.
