CC BY
110
вестник 812012
УДК 699.841
Б.Ф. Галай, Ю.К. Чернов*, А.Ю. Чернов
ФГАОУВПО «СКФУ»,
*ООО «Научно-производственный инженерно-геологический центр»
СЕЙСМОСТОЙКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО КАК ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
Сейсмичность территории оказывает существенное влияние на человека, микроорганизмы, животных и растений, т.е. биоту. В условиях сейсмоактивных территорий сейсмостойкое строительство как один из основных способов защиты общества от сейсмической угрозы является важным геоэкологическим фактором, влияние которого необходимо изучать и учитывать при различных видах хозяйственной и социально-экономической деятельности. Эффективность сейсмостойкого строительства во многом определяется правильным прогнозированием и учетом возможных сейсмических воздействий и обусловленных ими дополнительных сейсмических нагрузок на здания и сооружения. Поэтому обоснованная и надежная оценка сейсмических воздействий и сейсмической опасности риска может стать составной частью геоэкологического мониторинга и оценок риска. Применение современных вероятностных технологий на этапах проектирования и эксплуатации объектов строительства может повысить точность оценок опасных сейсмических нагрузок, что, в свою очередь, позволяет оптимизировать вероятные потери от негативного воздействия землетрясений при соблюдении заданного баланса безопасность — экономическая эффективность — целесообразность для данного объекта строительства.
Данные вероятностные технологии как составляющие общего метода пассивной геоэкологической защиты апробированы в условиях территорий центрального Предкавказья. Приведены результаты уточненных (с учетом региональных и локальных факторов) оценок сейсмической опасности и риска в различных инженерно-сейсмогеологических условиях г. Ставрополь, Краснодар, Пятигорск, ст. Кавказская для объектов различной степени ответственности. Проведен сравнительный анализ полученных результатов и имеющихся подобных оценок, обладающих более генерализованным характером.
Ключевые слова: геоэкология, сейсмичность, сейсмостойкое строительство, сейсмическое воздействие, сейсмическая опасность, сейсмический риск, прогнозирование, защита.
В последнее десятилетие в России значительно возрос уровень требований к экологической безопасности и качеству окружающей среды. Появились международные и национальные стандарты по экологическому менеджменту, используются рыночные атрибуты сертификации и страхования экологических рисков, применяются современные классификации отходов и паспорта безопасности материалов и веществ. Законодательство России пополнилось серией нормативно-правовых документов в области охраны окружающей среды и документами по устойчивому развитию [1].
Большой вклад в развитие данного направления в разные годы внесли такие видные ученые, как И.А. Карлович, В.И. Осипов, Л.В. Передельский, А.Д. Потапов, О.Е. Приходченко, М.Ю. Слесарев, В.Ф. Стоиков, В.И. Теличенко, В.Т. Трофимов, Н.А. Ясаманов.
Геодинамическая экологическая функция литосферы является одной из важнейших. Зачастую она выражается чрезвычайно активно и даже катастрофически. Под геодинамической понимается функция, отражающая способность литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные (техногенные) геологические процессы и явления [2].
В настоящее время геологическая наука и практика располагают обширным арсеналом общих подходов и конкретных методик, позволяющих наряду с фундаментальными проблемами решать чисто прикладные задачи. В узком смысле при проведении
геоэкологических исследований (т.е. когда рассматриваются природные и антропогенные процессы, протекающие непосредственно в геологической среде) используются геологические, геохимические, геофизические, гидрогеологические, геоморфологические методы. В более широком смысле (т.е. когда рассматриваются экономические, социальные, управленческие и другие аспекты данной проблемы) геоэкологические исследования могут включать в себя инженерный, экономический, социальный и другие виды анализа. В результате интерпретации полученных данных устанавливаются явления, процессы, свойства и закономерности, которые выступают как экологические факторы, т.е. отражают те или иные стороны взаимодействия литосферы и биосферы, определяются объем и характер этих взаимодействий, вырабатываются рекомендации по их оптимизации с учетом требований по обеспечению безопасности населения, бесперебойности функционирования социально-хозяйственной сферы и сохранности окружающей среды. К собственно геологическим методам относятся те, которые направлены на изучение свойств геологической среды, петрологического характера горных пород и геодинамических процессов. К геодинамическим процессам относятся процессы, протекающие как внутри земной коры, так и на ее поверхности. Они выражаются в форме тектонических движений, сейсмических и вулканических процессов. Петрологические свойства горных пород в сочетании с геодинамическими процессами определяют место и время возникновения, а также характер геоэкологических факторов. Практика показывает, что отсутствие или слабое знание состояния геологической среды нередко приводит к тяжелым и даже к катастрофическим последствиям. Ярким примером подобного являются масштабные разрушения и гибель людей при землетрясениях [3—5].
Существуют несколько классификаций природных процессов с учетом экологических последствий их проявления. Масштабы проявления экологических последствий в большой мере зависят от интенсивности самого природного процесса, плотности населения, проживающего в данной местности, вида функционального использования территории, научно-технического уровня развития общества и территориальной принадлежности.
Оценка тяжести экологических последствий проявления геологических процессов требует дифференцированного подхода к состоянию человека, микроорганизмов, животных и растений. При эколого-геологической оценке процессов, влияющих на состояние растений и животных, главным критерием выступает сохранность почв и по-чвообразующих пород, поскольку именно они служат источником питательных соединений для растительности, обеспечивающей кормовую базу большинства наземных животных. Однако во многих работах, посвященных данной тематике, преобладают классификации геологических процессов, носящие антропоцентрический характер. В этих работах одним из основных признаков выделения катастрофических, опасных и неблагоприятных геологических процессов являются человеческие жертвы и комфортность проживания людей, а также влияние этих процессов на экономику и социальную сферу.
Многие природные (геологические) процессы, кроме прямой опасности для жизни и здоровья людей (как, например, разрушение зданий и сооружений при землетрясениях и цунами), имеют еще и косвенные, или опосредованные, последствия, т.е. имеет место каскадность процессов (рис. 1). К ним относятся вызванные нарушения тех или иных функций инфраструктуры и природного комплекса, приводящие к негативным изменениям состояния и свойств окружающей человека среды.
В пределах твердой оболочки Земли последствия землетрясений могут быть особенно катастрофичными, когда они приводят к активизации экзогенных, в т.ч. сейс-могравитационных инженерно-геологических процессов, таких как обвалы, оползни, глыбовые и грунтовые лавины, сели и пр. Во время Сарезского землетрясения в
1911 г. на центральном Памире огромная масса обломочного материала объемом более 2 млрд м3 обрушилась с правого борта долины р. Бартанг, обусловив образование узкого и глубокого Сарезского озера. Под завалом был погребен кишлак с людьми, под водой нового озера оказался второй кишлак. Образовавшееся Сарезское озеро породило массу дополнительных экологических проблем, связанных с возможностью прорыва перемычки. При Хаитском землетрясении в 1949 г. на территории Таджикистана, где максимальное сотрясение достигало 9...10 баллов, в результате обвалов, схода лессовых оползней, грязекаменных лавин (селей) было завалено 33 поселка, разрушено полностью или частично 150 населенных пунктов [2].
Штормы, тайфуны, цунами и приливы
Горные обвалы, камнепады
Оползни
15=
Сели
ш
Водная эрозия
Наводнения
Т-
Ливни, снегопады
Снежные лавины
Землетрясения
Рис. 1. Схема развития каскадного взаимодействия природных процессов (по Г.Л. Коффу и др., 1997 г.)
В пределах жидкой оболочки Земли (океана) масштабные перемещения дна во время крупных сейсмических событий могут вызывать появления гигантских волн (цунами), также представляющих огромную опасность для прибрежных (а в сочетании с некоторыми другими факторами и не только прибрежных) территорий. Наиболее трагичными событиями такого рода за последнее время являются произошедшее
26 декабря 2004 г. у берегов Индонезии мощное землетрясение и последовавшее за ним цунами, жертвами которых стали более 300 тысяч человек, а также произошедшие 11 марта 2011 г. вблизи о. Хонсю (Япония) землетрясение и цунами, в результате которых пострадала в т.ч. АЭС «Фукусима», что вызвало радиационное заражение суши и моря. В России наиболее тяжелые последствия вызвало цунами, возникшее после землетрясения 4 ноября 1952 г., в результате которого был полностью уничтожен г. Северо-Курильск (о. Парамушир).
Поражающими факторами землетрясений в пределах суши являются прежде всего механические воздействия колебаний земной поверхности. Однако во время землетрясений относительно редко причиной человеческих жертв становятся непосредственно движения земной поверхности. В пределах населенных территорий главными причинами травматизма и гибели людей считаются косвенные факторы землетрясений: разрушения зданий и сооружений, затопления, осыпание битых стекол, падение разорванных электропроводов на проезжую часть улицы, взрывы и пожары, вызванные короткими замыканиями в электропроводке и утечкой газа из поврежденных труб, а также неконтролируемые действия, вызванные испугом и паникой населения. Вне пределов населенных пунктов, например в горной местности, поражающими факторами могут стать спровоцированные сильными землетрясениями оползни, обвалы горных пород, снежные лавины.
Известны случаи, когда из-за необратимых (как правило, связанных с подвижками в очаговой зоне сильных землетрясений) перемещений поверхности земли и соответствующего изменения ландшафта происходили осушения или затопления территорий, что, в свою очередь, приводило к резкому изменению условий существования соответствующих биосистем и ухудшению состояния окружающей среды в целом.
Экологические последствия землетрясений зависят от интенсивности сейсмических волн, достигающих поверхности, продолжительности сейсмических колебаний и их спектрального состава, от конструктивных особенностей зданий, типа и состояния грунта основания.
В результате сейсмического воздействия на объекты строительства происходит их частичное или полное разрушение что (помимо прямой угрозы жизни и здоровью людей, отнесенной выше к факторам прямого поражения) может вызывать неконтролируемый выброс в водный и воздушный бассейны, а также почву значительного количества строительных материалов. В этом случае вторичным или косвенным поражающим фактором может стать их экологическая небезопасность. Основными критериями оценки экологичности строительных материалов и изделий являются фактические уровни их экологической чистоты и экологической безопасности, под которой понимают их способность обеспечивать при нормируемых условиях комфортность проживания человека и не оказывать на его здоровье и состояние экосистем негативного воздействия. Экологическая чистота строительных материалов и изделий определяется содержанием, выделением или концентрацией в них вредных веществ. При оценке степени экологической чистоты строительных материалов в первую очередь учитывают их токсичность, радиоактивность и микробиологические повреждения [6].
Сейсмический процесс сопровождается не только механическими колебаниями почвы, но и пиковыми электромагнитными излучениями, а также звуковыми (в том числе и инфразвуковыми) эффектами, влияние которых на биологические объекты и окружающую среду может быть весьма существенным, особенно в случае выхода очаговых разрывов на поверхность.
Экологические функции мантии и земной коры стали привлекать внимание исследователей сравнительно недавно. Суть экологических функций мантии и земной коры заключается в процессах химико-плотностной дифференциации земного вещества, в результате которой тяжелые металлы перемещаются в глубинные зоны Земли, а
легкие, наоборот, всплывают в верхние части земной коры вплоть до дегазации по трещинам в воздушную и водную оболочки Земли. Процессы перемещения земного вещества определяют в ряде случаев сейсмическую и вулканическую активность Земли, систематическое проявление которых на поверхности, даже при небольших интенсив-ностях, может отрицательно сказываться на самочувствии и здоровье людей [7].
Количество человеческих жертв (рис. 2) зависит от типа жилья и качества строительства. Там, где люди живут в юртах, человеческие жертвы практически полностью отсутствуют даже при землетрясениях максимальной интенсивности, как в случае 12-балльного (М = 8,5) Гоби-Алтайского землетрясения 1957 г., когда горный массив Гурван-Соихан высотой до 4000 м и протяженностью в 257 км был поднят и сдвинут к востоку. Образовались многочисленные разрывные нарушения, грабены шириной от 800 м до 3,5 км, тектонические рвы с глубиной до 19 м, водораздельный участок г. Битут протяженностью 3 км и шириной 1,1 км опустился на 328 м. В Монголо-Охотском регионе на северном склоне хребта Хамар-Дабан в результате землетрясения были сорваны и сброшены в долину островерхие пикообразные вершины гор. Соединившись вместе в виде усеченных конусов, они образовали плосковерхий водораздел [2].
ии- И.Ч— !«•— 14»- ИЧй- ИИа— И
ниш 1Ц|и шн Г919 [919 19И 1979 [9НЧ 199Т
Рис. 2. Людские потери при землетрясении в мире в ХХ в., тыс. чел. (по данным А.В. Балахонова, 2005 г.)
С другой стороны, проживание людей в пещерах на склонах лессовых холмов привело к очень большим жертвам (до 600 тыс. человек) при 10-балльном землетрясении 27—28 июня 1976 г. в г. Хэбей в Китае [2]. Следствием ошибочного отнесения района г. Нефтегорска к несейсмичным стало строительство там в 1960-е гг. несейсмостойких крупноблочных зданий, которые были полностью разрушены в результате 9...10-балльного землетрясения на Сахалине 25 мая 1995 г., унесшего 1989 человеческих жизней. Учет новых данных сейсмического районирования предопределил строительство в этом городе в 1979—1983 гг. более сейсмостойких зданий, рассчитанных на семь баллов по шкале Ы8К-64. По данным Г.Л. Коффа (1995), эти здания лучше выдержали сейсмическое воздействие: получив повреждения, они тем не менее избежали обрушения.
Опыт последних десятилетий показал, что при определенных условиях строительная деятельность человека может вызывать развитие не только экзогенных (внешних) процессов (подтопления, оползни, карст и др.), но и эндогенных (внутренних), в частности землетрясений. Строительство крупных водохранилищ Орвилл (США), Койна (Индия), Синьцзян (КНР), Чиркейского (Россия) и др., сооружение крупных инженер-
ных объектов типа Камской и Воткинской ГЭС, Добрянской ГРЭС и др. и возникновение в этих районах спровоцированных или наведенных (техногенных) землетрясений магнитудой 4,5...6,5 балла подтверждает эту связь. Интервал времени от года наполнения водохранилища до года наиболее сильного землетрясения может колебаться от 1 года до 8 лет и более; наиболее часто от 1 до 3 лет [6].
Достоверная и обоснованная оценка сейсмических воздействий, сейсмической опасности и сейсмического риска может стать составной частью геоэкологического мониторинга и аудита. Геоэкологический мониторинг и аудит используются для того, чтобы реакция рассматриваемых объектов на прогнозируемые воздействия не выходила за пределы заданных уровней, призванных обеспечивать условия безопасного и безаварийного функционирования этих объектов. В этом контексте геоэкологический мониторинг и аудит будут способствовать тому, чтобы требования, сформулированные при утверждении данного проекта, четко выполнялись, меры по предотвращению или смягчению негативного воздействия сильных землетрясений эффективно осуществлялись, а выгоды, ожидаемые от экологического мониторинга, достигались по мере реализации проекта. Эти механизмы могут использоваться для получения соответствующей информации при периодической оценке и корректировке планов управления окружающей средой, оптимизации мероприятий по охране окружающей среды через внедрение надлежащей практики на всех этапах строительной деятельности. Для практической реализации этих механизмов должны быть разработаны процедуры, стандарты и рекомендации по их применению в течение всего жизненного цикла проекта. Необходимо также разработать четкие критерии эффективности, по которым может быть определена экологическая эффективность строительной деятельности [8].
Одним из инструментов геоэкологического мониторинга и аудита может являться инвентаризационный анализ, включающий в себя процедуры сбора, обработки и интерпретации данных (получаемых в результате полевых и лабораторных наблюдений, натурного и компьютерного моделирования и другими способами) с целью количественного определения соответствующих входных и выходных параметров данной геоэкологической системы. Входные и выходные потоки данных могут включать в себя использование ресурсов, выбросы в атмосферу, сбросы в воду и землю, связанные с рассматриваемой системой.
Прогнозирование (в т. ч. и сейсмических) воздействий при проведении общей оценки жизненного цикла (ОЖЦ) проекта направлено на определение значимости влияния данного вида потенциально опасных природных воздействий на население, объекты хозяйственной деятельности и окружающую среду. Данная оценка может даваться по результатам инвентаризационного анализа жизненного цикла. Традиционно в широком смысле этот процесс подразумевает попытку установления причинно-следственных связей между инвентаризационными данными и рассматриваемыми конкретными воздействиями на окружающую среду. Уровень детализации, выбор оцениваемых воздействий и применяемые технологии наблюдений и оценок зависят от цели и области применения исследования.
Интерпретация является важной фазой ОЖЦ. На этом этапе или увязывают результаты анализа инвентаризационных данных и оценки воздействий для получения соответствующих выводов и рекомендаций, или рассматривают только результаты анализа инвентаризационных данных в контексте поставленной цели и области применения.
Согласно Ватерну ^аШегп), воздействие имеет как пространственные, так и временные компоненты и может быть описано как изменение параметра состояния окружающей среды в течение определенного периода и в пределах определенной области, являющееся результатом строительной деятельности, по сравнению с ситуацией, которая имела бы место в случае, если бы эта деятельность не была начата. Наглядно это показано на рис. 3.
вестник 812012
Параметр состояния окружающей среды
В общем случае возникающие при реализации проекта воздействия на хозяйственную сферу, людей и окружающую среду, согласно [1], могут различаться:
по характеру (положительные, отрицательные, прямые, косвенные, совокупные, синергетические и другие); величине;
площади/расположению (затрагиваемая область, распределение); времени возникновения (при строительстве, эксплуатации, ликвидации; немедленные или «отложенные»;
продолжительности (краткосрочные или долгосрочные, прерывистые, непрерывные); обратимости/необратимости;
вероятности (риск, неопределенность или достоверность прогноза); значимости (местное, региональное, глобальное).
Способы, с помощью которых могут прогнозироваться такие воздействия, включают: а) профессиональные (экспертные) оценки; б) количественные математические модели; в) эксперименты, физические модели; г) натурное исследование конкретных случаев.
Воздействия на здоровье могут быть непосредственным результатом изменений в окружающей природной среде (например, воздействие токсичных загрязняющих веществ) или же следовать из них косвенно как результат других изменений, вызванных проектом (например, ухудшение социально-экономического положения, приводящее к повышенной заболеваемости и смертности). Реализация проектов может также увеличивать риск несчастных случаев и техногенных катастроф.
Чем раньше в ходе разработки проекта рассматриваются экологические факторы и выявляются воздействия, тем меньше данный проект привязан к конкретным решениям с финансовой точки зрения, и тем легче этот проект может быть переработан, чтобы избежать или уменьшить негативные последствия от его реализации. Для этого необходимо, чтобы связи между группой, осуществляющей планирование намечаемой строительной деятельности, разработчиками проекта и исполнителями ЭО были установлены как можно раньше.
Группы, ответственные за планирование и разработку проекта, должны исследовать последствия, возникающие в результате этапов планирования, строительства, эксплуатации и ликвидации объекта, и использовать рациональные стратегии планирования, которые могут привести к уменьшению данных последствий.
Отслеживание (мониторинг) и управление воздействиями — важнейшие составные части комплекса мер по предотвращению или уменьшению вредных последствий этих воздействий. Цель мониторинга — систематическое получение информации о том, носят ли наблюдаемые воздействия прогнозируемый характер и находятся ли они в пределах ожидаемых величин. Такой контроль за воздействиями необходим для того, чтобы обеспечивать реакцию объектов в пределах допустимых норм и, в случае необ-
ходимости, ликвидировать возникшие дефициты надежности и геоэкологической безопасности реализуемых проектов. Применительно к задаче обеспечения сейсмоустой-чивости зданий и сооружений данный вид исследований может выполняться в рамках периодической паспортизации существующих зданий и сооружений, включая оценку их изменяющихся со временем прочностных свойств, а также степени их соответствия действующей на данный момент нормативной базе. Кроме того, при проведении этих исследований должна проводиться ревизия данных по инженерно-сейсмогеологиче-ским условиям конкретных площадок, которые могут существенно изменяться в процессе эксплуатации рассматриваемых объектов.
При исследовании возможных воздействий проекта на окружающую среду важно иметь в виду, что воздействия могут различаться по тому, как, когда и с какой вероятностью они могут возникнуть и могут ли возникнуть вообще, а также по тому, где, каким образом и в какой степени они могут влиять на окружающую среду. Воздействия могут также взаимодействовать между собой, вызывая другие воздействия, которые, в свою очередь, могут быть более значимы, чем первоначальные. Одним из примеров такого взаимодействия (которое может быть названо «поступательно-обратным») может являться цепочка, начинающаяся с первичных (инициирующих) сейсмических воздействий на объекты строительства, продолжающаяся через реакцию подвергшихся этим воздействиям строительных объектов (зависящую от выбранных антисейсмических решений, определяющих способность этих объектов противостоять данным сейсмическим воздействиям) и завершающаяся вторичным воздействием на людей и окружающую среду самих строительных объектов, теперь уже тем или иным образом реагирующих на первичные сейсмические воздействия. Из приведенного примера видно, что в данном случае ключевыми (с геоэкологической точки зрения) элементами проекта являются: а) адекватная оценка уровня сейсмической опасности и вероятных сейсмических воздействий, которым может подвергнуться данный объект за проектный срок своего существования и б) правильное антисейсмическое проектирование, обеспечивающее устойчивость объекта в условиях воздействия сильных землетрясений.
Совокупность методов защиты от воздействия негативных геологических (и в частности инженерно-сейсмологических) процессов может быть подразделена на активные и пассивные. Активные направлены на устранение причин возникновения процессов, пассивные — на предотвращение или уменьшение связанных с ними экологических последствий. Поскольку в настоящее время не существует активных мер противодействия возникновению землетрясений, приоритетным следует считать разработку и совершенствование пассивных методов защиты в виде прогноза и оценки сейсмической опасности той или иной территории. В общем случае прогноз сейсмической опасности может быть двух видов: а) определение времени, места и силы конкретного землетрясения (оперативный прогноз землетрясений) и б) прогнозирование так называемой долговременной сейсмической опасности, т.е оценка сейсмического потенциала данной территории без указания, когда именно и в какой степени этот потенциал будет реализован. Согласно [9], долговременная сейсмическая опасность — это мера, характеризующая на относительно длительную перспективу данную местность с точки зрения активности и степени проявления на поверхности происходящих здесь сейсмических процессов и описываемая в терминах вероятных сейсмических воздействий. На данном этапе развития сейсмологической науки оперативный прогноз землетрясений с необходимой для практических нужд точностью осуществляется очень редко. Поэтому в мировой практике сейчас основным направлением защиты от вредного воздействия сильных землетрясений являются оценки долговременной сейсмической опасности и сейсмического риска и базирующиеся на них меры по сейсмо-усилению зданий и сооружений, а также страхование подверженных этому риску объектов. В настоящей работе под сейсмической опасностью понимаются оценки возмож-
вестник 8/2012
ных сейсмических воздействий на расположенные (или проектируемые) на данной территории объекты. Примером подобного подхода, соответствующего современному уровню знаний, являются методики оценки сейсмической опасности и сейсмического риска, более подробно описанные в [10—13]. Применение данных методик при геоэкологическом анализе проекта позволяет исследовать такой ключевой элемент проекта, как правильная оценка уровня сейсмической опасности и вероятных сейсмических воздействий, которым может подвергнуться данный объект за проектный срок своего существования. Комплексный же анализ сейсмического фактора в виде анализа системы геодинамика — проект строительства — биота позволяет учитывать взаимосвязь воздействий, принимая во внимание при этом и прямую связь проект строительства -биота, наиболее детально исследуемую в настоящее время с точки зрения геоэкологии.
Следует отметить, что геоэкологическая наука является сравнительно молодой, активно развивающейся и совершенствующейся в настоящее время. Актуализируются и дополняются нормы и правила, регламентирующие данную отрасль знания. Широта охвата исследуемых процессов и явлений предопределяет тесную взаимосвязь со многими другими отраслями, поэтому использование методов, применяемых в других областях, является не только допустимым, но иногда даже необходимым ввиду специфики различных разделов геоэкологии. При этом могут возникать определенные неясности и разночтения в некоторых определениях и терминологии, поэтому представляется целесообразным дать некоторые пояснения к излагаемому материалу. Как можно видеть из вышеизложенного, в данной работе часто используется термин «воздействие». Этот термин используется в двух смыслах. Первый — использование в традиционном для геоэкологии контексте воздействия проекта на биоту. В то же время в соответствии с поставленной задачей нами исследуется ситуация, когда проект реализуется в неблагоприятных (в данном случае сейсмических) условиях, вследствие чего он сам подвергается (или может подвергаться) вредным воздействиям землетрясений, которые в свою очередь влияют (или даже определяют) в рамках рассматриваемой причинно-следственной связи реакцию проекта на это природное воздействие и, соответственно, уже эта реакция влияет (или определяет) на конечное воздействие на экологическую среду. Таким образом, второй смысл используемого нами термина «воздействие» — это внешнее по отношению к реализуемому проекту сейсмическое (или иное) воздействие. Согласно [9], сейсмические воздействия — это количественные характеристики сейсмических сотрясений, которым подвергается здание или сооружение во время землетрясения, выраженные как в физических (инженерных) параметрах, таких, например, как амплитуды, периоды, длительности, спектры, акселерограммы, велоси-граммы и др., так и в баллах макросейсмической шкалы. Поскольку эти «первичные» сейсмические воздействия вносят существенный вклад в формирование итогового воздействия реализуемого проекта на экологическую среду, они должны специально рассматриваться в рамках геоэкологических исследований.
Второй термин, который в рамках данной работы может иметь разный смысл, — макросейсмическая интенсивность (балльность) землетрясений. В одних случаях (в зависимости от контекста) термины «макросейсмическая балльность» или «балл макро-сейсмической шкалы» или просто «балльность» могут использоваться для обозначения меры интенсивности или силы землетрясения, т.е. уровня «первичного» или «природного» сейсмического воздействия. В других же случаях эти же термины могут означать степень или меру «вторичного» воздействия, теперь уже самого подвергшегося воздействию землетрясения объекта (здания или сооружения) на биоту — испуг людей, повреждения объекта различной степени тяжести, включая его полное разрушение, изменение ландшафта, рельефа местности, травмы и гибель людей, животных и др.
Из изложенного видно, что в условиях сейсмоактивных территорий сейсмостойкое строительство как один из основных способов защиты общества от сейсмической
угрозы является важным геоэкологическим фактором, влияние которого необходимо изучать и учитывать при различных видах хозяйственной и социально-экономической деятельности, осуществляемой на данных территориях.
Сейсмостойкое строительство включает в себя в качестве важной составной части антисейсмическое проектирование на основе оценок сейсмической опасности и риска. В настоящее время одним из основных методов прогнозирования сейсмической опасности и определения возможных сейсмических воздействий при осуществлении сейсмостойкого строительства являются вероятностные оценки, районирующие территорию по вероятности непревышения интенсивности сейсмических сотрясений некоторого заданного уровня или (что по сути то же самое) по интенсивности сотрясений, с некоторой заданной вероятностью непревышения (пример — комплект карт ОСР—97). Уровень вероятности непревышения определяется исходя из критерия допустимости (приемлемости) обществом вероятных потерь, т.е. выступает задачей не инженерной, а социальной, экономической и экологической. Так, например, при разработке комплекта карт сейсмического районирования территории России (ОСР—97) вероятности непревышения в течение 50 лет, равные Р50 = 0,9 (для объектов массового строительства), Р50 = 0,95 (для объектов повышенной ответственности) и Р50 = 0,99 (для особо ответственных объектов), приняты исходя из мирового опыта таких определений. Задача инженеров-сейсмологов в этом случае заключается в расчете самой функции распределения вероятностей в данной точке. Вопрос же выбора «осечки» на полученной кривой функции распределения, т.е. выбора приемлемого уровня вероятности прогнозируемого воздействия, по сути, заранее детерминирован и специально не рассматривается.
Поэтому представляется также интересным отдельно рассмотреть вопрос выбора оптимального (или приемлемого, или какого-либо другого) уровня вероятности возникновения сейсмического воздействия данной силы и допустимого (оправданного) уровня сейсмического риска исходя из конкретного сочетания (набора) природных, социально-экономических, экологических и иных условий. Под сейсмическим риском в настоящей работе (как ив [9]) понимается случайная величина, характеризующая уровень и вероятность ущербов или потерь, которые несет общество в результате осуществления своей хозяйственной или иной деятельности в районах с неблагоприятными природными условиями, в данном случае в районах повышенной сейсмической активности. Ущербы могут выражаться в стоимостных показателях, а также в числе раненых, погибших и др. Уровень сейсмического риска определяется: а) вероятными в данном месте сейсмическими воздействиями; б) сейсмостойкими свойствами или сейсмоуязвимостью конкретных объектов, по отношению к которым оценивается сейсмический риск; в) другими факторами, способными влиять на тяжесть последствий сильных землетрясений, такими, например, как нарушения производственных связей, стрессы, из-за которых возрастает число заболеваний среди населения, ухудшение общей морально-психологической обстановки и др.
Разрабатываемые нами в [10—13] методики предлагают варианты решения обеих задач: оценки сейсмических воздействий и оценки сейсмического риска. Эти методики адаптированы и использованы в процессе практических исследований различных типов объектов, обладающих разной степенью ответственности и расположенных на различных территориях центрального Предкавказья с разными инженерно-сейсмогео-логическими условиями (г. Ставрополь, Краснодар, Пятигорск и ст. Кавказская).
Преимущества данных методик состоят в том, что используемые в них критерии являются количественными, позволяя тем самым разработать и реализовать математическую модель оценки и оптимизации сейсмической опасности и сейсмического риска. В то же время на данном этапе при построении количественной модели сейсмического риска также используются и пока плохо поддающиеся единому количественному опи-
санию различные качественные показатели (такие, например, как заболевания и гибель людей, ухудшение общей экологической и социально-экономической обстановки), которые нами объединены в одну группу — косвенные потери. Перевод этих зачатую очень важных (во многих случаях косвенные потери могут многократно превышать прямые ущербы) разноплановых качественных показателей в количественные требует определенных допущений, что необходимо для выбора единого критерия оценки всех анализируемых показателей возможных или прогнозируемых потерь или ущербов. В качестве такого критерия в данном исследовании выбран ущерб, выраженный в процентах от стоимости расположенного в определенных инженерно-сейсмогеоло-гических условиях объекта строительства с заданным ресурсом сейсмостойкости, по отношению к аналогичному объекту в несейсмостойком исполнении. Пример оценки риска для г. Ставрополе приведен на рис. 4. Аналогичные построения выполнены и для других исследуемых территорий (г. Краснодар, Пятигорск, ст. Кавказская).
\ 1 г \ 1 V ч \__ \У
6 8 10 Ресурс сейсмостойкости,
балл М8К
а
V ъ -V \ 'ч, \ % V ч. X.
N
4 6
Ресурс сейсмостойкости, балл МЭК б
ъ \
Ресурс сейсмостойкости, балл М8К
Рис. 4. Суммарные долговременные сейсмические риски в г. Ставрополе для объектов массовой застройки (пунктирные линии с точкой), повышенной ответственности (пунктирные линии) и особо ответственных (сплошные линии) при расчетном сроке 50 лет и грунтовых условиях: а — средних; б — ухудшенных; в — улучшенных
3
3
4
« 3
к 2
2
и 2
1
0
4
4
в
Анализ рис. 4, в частности, показывает, что общий уровень кривых риска возрастает, а сами они по мере увеличения степени ответственности объекта смещаются в сторону более высоких значений его сейсмостойкости. Сходная картина для одних и тех же объектов наблюдается при изменении грунтовых условий площадок их расположения — от улучшенных до ухудшенных. Такое поведение кривых полностью укладывается в существующие представления о природе сейсмических рисков и имеет ясный физический смысл: риски возрастают при повышении общего уровня сейсмической опасности территории и тяжести возможных негативных последствий в случае реализации этой опасности.
Вторая особенность полученных кривых рисков — наличие на них четких минимумов при определенных значениях I не одинаковых для разных сочетаний уровней ответственности объекта и сейсмической опасности площадки (последний определяется региональными сейсмотектоническими и локальными инженерно-сейсмогеоло-гическими условиями). В этом случае значения I могут трактоваться как достаточная или оптимальная (с точки зрения минимизации возможных ущербов) степень инженерной защиты объекта от возможных на данном участке землетрясений [12].
Этот вывод иллюстрируется приведенным в таблице сопоставлением полученных нами уточненных оценок сейсмических воздействий (вероятных балльностей I) с нормативными оценками, определенными для исследуемых площадок по стандартным процедурам СНиП 1норм и значений уровней сейсмостойкости объектов, которым соответствуют минимальные суммарные сейсмические риски I
Сопоставление вероятных значений макросейсмических интенсивностей I, I и I для
Г г 5 норм опт ^
разных периодов повторяемости Г на площадках с различными грунтовыми условиями в пределах рассматриваемых территорий центрального Предкавказья (для ст. Кавказской без скобок — текущее состояние, в скобках — прогнозное состояние), I — в баллах МБК
Средние грунтовые Ухудшенные грунтовые Улучшенные грунтовые
t, лет условия условия условия
I I норм I опт I I норм I опт I I норм I опт
г. Ставрополь
500 6,5 7,0 ~6,5 7,2 8,0 ~7,2 6,0 6,0 ~6,0
1 000 6,9 7,0 ~7,1 7,5 8,0 ~7,7 6,6 6,0 ~6,5
5 000 7,7 8,0 ~7,6 8,1 9,0 ~8,2 7,4 7,0 ~7,2
г. Краснодар
500 7,1 7,0 ~7,1 7,7 8,0 ~7,8 — — —
1 000 7,6 8,0 ~7,7 8,1 9,0 ~8,2 — — —
5 000 8,5 9,0 ~8,4 9,0 10,0 ~9,2 — — —
г. Пятигорск
500 7,5 8,0 ~7,4 8,4 9,0 ~8,3 6,8 7,0 ~6,8
1 000 8,0 8,0 ~8,0 8,8 9,0 ~8,8 7,2 7,0 ~7,3
5 000 8,7 9,0 ~8,4 9,5 10,0 ~9,5 7,8 8,0 ~7,9
ст. Кавказская
500 6,3 6,0 ~6,1 6,6 (7,0) 7,0 (7,0) ~6,6 (~7,0) — — —
1 000 6,7 7,0 ~6,8 7,0 (7,4) 8,0 (8,0) ~7,1 (~7,4) — — —
5 000 7,3 7,0 ~7,3 7,7 (8,0) 8,0 (8,0) ~7,7 (~8,0) — — —
Здесь видна высокая степень согласованности независимых оценок I и I во всех рассмотренных комбинациях грунтовых условий и ответственностей объектов. Среднее значение I - I составляет -0,01 балла МБК при стандартном отклонении 0,11 балла МБК. Видны также значительные расхождения между !норм и !опт (среднее значение и стандартное отклонение разностей между ними составляют 0,26 балла МБК и 0,34 балла МБК соответственно). Причина этих расхождений та же, что и в случае рассмотренных ранее в [9] разностей I -1, а именно большая генерализация и «склонность» к некоторому завышению на данных территориях нормативных фоновых оценок балльности, а также ограниченные возможности учета «грунтовой составляющей» сейсмической опасности при помощи таблицы 1* [14, 15].
Приведенные результаты говорят в пользу реалистичности и надежности разработанных моделей сейсмической опасности и моделей сейсмического риска для инже-нерно-сейсмогеологических условий центрального Предкавказья.
Выводы. 1. Адаптированная к условиям центрального Предкавказья методика вероятностного прогнозирования долговременной сейсмической опасности позволила получить более точные (учитывающие региональные и местные особенности) и детальные (описывающие сейсмические воздействия как в виде макросейсмических
вестник 8/2012
балльностей, так и в виде широкого набора инженерных параметров колебаний грунта) оценки вероятных сейсмических воздействий на исследованных территориях.
2. Использование в расчетах сейсмического риска уточненных функций распределения вероятностей, интенсивностей, сотрясений в сочетании с возможностями принятой модели риска позволили в удобной стоимостной форме и применительно к условиям каждой рассмотренной площадки произвести оценку вероятных ущербов. Включение в прямой вероятностный анализ возможных суммарных ущербов от воздействия землетрясений и потерь от удорожания строительства из-за сейсмостойкого усиления зданий и сооружений позволило помимо абсолютных оценок вероятных ущербов получить относительные оценки в зависимости от реальной сейсмостойкости объекта. Это дает дополнительные возможности для анализа на оптимальность степени (и, следовательно, стоимости) инженерной защиты данного объекта с учетом его ответственности и конкретных сейсмогеологических условий.
3. Применение разработанных методик вероятностного прогнозирования сейсмических воздействий и сейсмического риска в комплексе геоэкологических исследований на территориях центрального Предкавказья позволяет получить дополнительные возможности по обеспечению сейсмостойкости существующих и проектируемых строительных объектов и тем самым предотвратить или уменьшить вредные воздействия возможных здесь землетрясений на людей, хозяйственную сферу и окружающую природную среду.
4. Более точные региональные и локальные оценки сейсмического риска могут способствовать повышению эффективности страхования от землетрясений, а также принятию правильных управленческих решений по защите общества от данного вида стихийного бедствия.
Библиографический список
1. Теличенко В.И., Слесарев М.Ю. Управление экологической безопасностью строительства. Экологическая экспертиза и оценка воздействий на окружающую среду. М. : Изд-во АСВ, 2005. 441 с.
2. Трофимов В.Т., Харькина М.А., Григорьева И.Ю. Экологическая геодинамика / под ред. проф. В.Т. Трофимова. М. : КДУ, 2008. 473 с.
3. Медведев С.В. Инженерная сейсмология. М. : Госстройиздат, 1962. 284 с.
4. Рихтер Ч. Элементарная сейсмология. М. : Иностранная литература, 1963. 670 с.
5. Ясаманов Н.А. Основы геоэкологии. М. : Академия, 2003. 352 с.
6. Передельский Л.В., Приходченко О.Е. Строительная экология. Ростов н/Д : Феникс, 2003. 320 с. (Серия «Строительство».)
7. Карлович И.А. Геоэкология. М. : Академический Проект; Альма-Матер, 2005. 512 с.
8. Теличенко В.И., Слесарев М.Ю., Стоиков В. Ф. Управление экологической безопасностью строительства. Экологический мониторинг. М. : Изд-во АСВ, 2005. 328 с.
9. Разработка расчетных моделей сейсмических воздействий для строительного проектирования с учетом неопределенности и неполноты сейсмологических данных о спектральных и временных параметрах сейсмических движений грунта : отчет о работе / рук. и отв. исполнитель Ю.К. Чернов. Фонды СКИГЦ Госстроя РФ. Ставрополь, 2003. 141 с.
10. Чернов А.Ю. Вероятностный анализ сейсмической опасности для целей строительного проектирования, страхования и оценки объектов недвижимости (на примере территорий центрального Предкавказья) // Вестник СевКавГТУ. Вып. 2. Науки о земле. Ставрополь : СевКавГТУ, 2011. 295 с.
11. Чернов А.Ю. Вероятностные модели сейсмогенного разжижения грунта и практический опыт их применения в г. Ставрополе // Вестник СевКавГТУ. Вып. 4. Науки о земле. Ставрополь : СевКавГТУ, 2011. 275 с.
12. Чернов А.Ю. Предварительная оценка сейсмического риска некоторых территорий центрального Предкавказья. Инженерные изыскания. Раздел инженерной сейсмологии. М. : ОАО ПНИИИС, 2011. 88 с.
13. Чернов Ю.К. Сильные движения грунта и количественная оценка сейсмической опасности территорий. Ташкент : ФАН, 1989. 295 с.
14. СП-14.3330.2011. Строительство в сейсмических районах. М. : Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011. 75 с.
15. СНиП II 7—81* Строительные нормы и правила. Часть II. Глава 7. Строительство в сейсмических районах. М. : Минстрой России, 2002. 48 с.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторах: Галай Борис Федорович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СКФУ»), 355029, г. Ставрополь, проспект Кулакова, д. 2, galaybf@mail.ru;
Чернов Юрий Константинович — доктор физико-математических наук, профессор, ООО «Научно-производственный инженерно-геологический центр», 355003, г. Ставрополь, ул. Дзержинского, д. 185, chenta-26@mail.ru;
Чернов Андрей Юрьевич — ассистент кафедры строительства, ФГАОУ ВПО «СевероКавказский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СКФУ»), 355029, г. Ставрополь, проспект Кулакова, д. 2, chernov_660@mail.ru.
Для цитирования: Галай Б.Ф., Чернов Ю.К., Чернов А.Ю. Сейсмостойкое строительство как геоэкологический фактор // Вестник МГСУ 2012. № 8. С. 154—168.
B.F. Galay, Yu.K. Chernov, A.Yu. Chernov
ASEISMIC CONSTRUCTION AS THE GEO-ECOLOGICAL FACTOR
Seismicity of any territory produces a significant impact on human beings, micro-organisms, animals and plants, i.e. the biota. In seismically active areas, earthquake-resistant construction is an important geo-ecological factor and one of principal methods of protection against the threat of earthquakes. The efficiency of earthquake-resistant construction is largely determined by the accuracy of predictions, potential seismic effects of earthquakes, and additional seismic loads on buildings and structures. Therefore, valid and reliable assessment of the seismic hazard and seismic risks can become an integral part of geo-ecological monitoring undertakings and risk assessments. Application of advanced probabilistic technologies in the design and maintenance of structures may increase the accuracy of projections of dangerous seismic loads to optimize the losses caused by the negative impact of earthquakes in compliance with the pre-set dependence between safety, economic efficiency and practicability patterns.
Probabilistic technologies, including passive constituents of the general method of geo-eco-logical protection, have been tested in Central Ciscaucasia. The results of assessments of seismic hazards and risks in various engineering and seismological conditions of Stavropol, Krasnodar, Pyatigorsk, Kavkazskaya completed for structures of various degrees of responsibility are represented in the article.
Key words: geoecology, seismicity, earthquake-resistant construction, seismic effects, seismic hazard, seismic risk, prediction, protection.
References
1. Telichenko V.I., Slesarev M.Yu. Upravlenie ekologicheskoi bezoposnost'yu stroitel'stva. Ekologicheskaya ekspertiza i otsenka vozdeystviy okruzhayushchuyu sredu [Management of Ecological Safety of Construction. Ecological Assessment of Impacts Produced onto the Environment]. Moscow, ASV Publ., 2005, 441 p.
2. Trofimov V.T., Khar'kina M.A., Grigor'eva I.Yu. Ekologicheskaya geodinamika [Ecological Geodynamics]. Moscow, KDU Publ., 2008, 473 p.
3. Medvedev S.V. Ingenernaya seismologia [Engineering seismology]. Moscow, Gosstroyizdat Publ., 1962, 284 p.
4. Rikhter Ch. Elementarnaya seysmologiya [Elementary Seismology]. Moscow, Inostrannaya literatura Publ., 1963, 670 p.
5. Yasamanov N.A. Osnovy geoekologii [Fundamentals of Geo-ecology]. Moscow, Akademiya Publ., 2003, 352 p.
6. Peredel'skiy L.V., Prikhodchenko O.E. Stroitel'naya ekologiya [Construction Ecology]. Rostov-on-Don, Feniks [Phoenix] Publ., 2003, 320 p.
7. Karlovich I.A. Geoekologiya [Geo-ecology]. Akademicheskiy Proekt [The Academic Project]. Moscow, Al'ma-Mater Publ., 2005, 512 p.
ВЕСТНИК 8/2012
8. Telichenko V.I., Slesarev M.Yu. Stoikov V.F. Upravlenie ekologicheskoy bezopasnost'yu stroitel'stva. Ekologicheskiy monitoring. [Management of Ecological Safety of Construction. Ecological Monitoring]. Moscow, ASV Publ., 2005, 328 p.
9. Razrabotka raschetnykh modeley seysmicheskikh vozdeystviy dlya stroitel'nogo proektirovani-ya s uchetom neopredelennosti i nepolnoty seysmologicheskikh dannykh o spektral'nykh i vremennykh parametrakh seysmicheskikh dvizheniy grunta [Development of Analysis Models of the Seismic Impact Produced onto Design with Account for Uncertainties and Incompleteness of Seismological Data concerning Spectral and Time Parameters of Seismic Motions of the Earth Surface]. Performed by Yu.K. Chernov. Funds of the RF State Committee for Construction, Residential Housing and Utilities. Stavropol, 2003, 141 p.
10. Chernov A.Yu. Veroyatnostnyy analiz seysmicheskoy opasnosti dlya tseley stroitel'nogo proektirovaniya, strakhovaniya i otsenki ob"ektov nedvizhimosti (na primere territoriy tsentral'nogo Predkavkaz'ya) [Probabilistic Analysis of Seismic Hazard for Structural Design, Insurance and Appraisal of Real Estate Items (Exemplified by the Territories of Central Ciscaucasia)]. Vestnik SevKavGTU [Proceedings of North Caucasian State Technical University]. 2011, no. 2, Stavropol', 295 p.
11. Chernov A.Yu. Veroyatnostnye modeli seysmogennogo razzhizheniya grunta i praktiches-kiy opyt ikh primeneniya v g. Stavropol' [Probabilistic Models of Seismic Liquefaction of Soil and Its Practical Application in Stavropol]. Vestnik SevKavGTU [Proceedings of North Caucasian State Technical University]. 2011, no. 4, Stavropol', 275 p.
12. Chernov A.Yu. Predvaritel'naya otsenka seysmicheskogo riska nekotorykh territoriy tsentral'nogo Predkavkaz'ya. Inzhenernye izyskaniya. Razdel inzhenernaya seysmologiya. [Tentative Assessment of Seismic Risks in Some Territories of Central Ciscaucasia]. Ingenernie izyskaniya. Razdel ingenernaya seismologiya. [Engineering Researches. Engineering Seismology]. Moscow, OAO PNIIIS, no. 12, 2011, 88 p.
13. Chernov Yu.K. Sil'nye dvizheniya grunta i kolichestvennaya otsenka seysmicheskoy opasnosti territoriy [Strong Motions of Soil and Quantitative Assessment of Seismic Hazards in Territories]. Tashkent, FAN Publ., 1989, 295 p.
14. SP-14.3330.2011. Stroitel'stvo v seysmicheskikh rayonakh [Construction Rules 14.3330.2011. Construction in Seismic Areas]. Moscow, Ministry of Regional Development of the Russian Federation, 2011, 75 p.
15. SNiP II 7—81* Stroitel'nye normy i pravila. Chast' II. Glava 7. Stroitel'stvo v seysmicheskikh rayonakh [Construction Norms and Rules. Part II. Chapter 7. Construction in Seismic Areas]. Moscow, Ministry of Construction of the Russian Federation, 2002, 48 p.
About the authors: Galay Boris Fedorovich — Professor, Doctor of Geological and Mineralogy Sciences, North Caucasian Federal University (NCFU), 2 prospekt Kulakova, Stavropol, 355029, Russian Federation; galaybf@mail.ru;
Chernov Yuriy Konstantinovich — Professor, Doctor of Physical and Mathematical; Sciences, Research and Production Centre of Engineering Geology, 185 Dzerzhinskogo st., Stavropol, 355003, Russian Federation; chenta-26@mail.ru;
Chernov Andrey Yur'evich — Assistant Lecturer, Department of Construction, North Caucasian Federal University (NCFU), 2 prospekt Kulakova, Stavropol, 355029, Russian Federation; cher-nov_660@mail.ru.
For citation: Galay B.F., Chernov Yu.K., Chernov A.Yu. Seysmostoykoe stroitel'stvo kak geoeko-logicheskiy faktor [Aseismic Construction as the Geo-ecological Factor]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 154—168.
