Технология управления безопасностью урбанизированного оползневого склона на базе данных инженерного мониторинга Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 504.064:0018 [613.6] В. Г. ТИШИН, В. Г. ТУРЧЕНКО

ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ УРБАНИЗИРОВАННОГО ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА НА БАЗЕ ДАННЫХ ИНЖЕНЕРНОГО МОНИТОРИНГА

Предлагается технология, управления, безопасностью урбанизированного оползневого склона с учётом оценки состояния объектов инженерной защиты на основе данных инженерного мониторинга (ИМ). Данные ИМ получаются методом экспертной многоуровневой интегральной оценки состояния техноприродной системы (ТПС). Предлагаемая технология позволяет вырабатывать адекватные состоянию ТПС управленческие решения по обеспечению устойчивости урбанизированного оползневого склона.

Ключевые слова: урбанизированная территория, оползневой склон, экспертная система, алгоритм управления безопасностью, инженерный мониторинг.

Системная взаимосвязь проблем геоэкологии и экономики на фоне постоянного усложнения взаимодействия техноприродных объектов с окружающей средой, воздействия которой зачастую значительно отличаются от принятых при проектирования исходных данных, что серьёзно осложняет оценку эксплуатационного состояния объектов экономики, работающих в сложных геоэкологических условиях.

Одновременно отметим, что условия эксплуатации объектов экономики нередко не соответствуют обеспечению проектной долговечности зданий и сооружений.

Требования безопасности эксплуатации объектов в сложных условиях требуют формирования нового взгляда проектировщиков и эксплуатационников на процесс оценки состояния эксплуатируемых техноприродных систем (ТПС).

Таким образом, возникает потребность в новом виде инженерной деятельности - инженерном мониторинге, системно оценивающем состояние взаимодействующих технических и природных объектов.

Инженерный мониторинг (ИМ) - слежение за состоянием инженерных сооружений под воздействием техногенных и природных факторов и предупреждение о создающихся критических ситуациях под влиянием этих факторов.

В г. Ульяновск организация системы инженерного мониторинга техноприродных систем в первую очередь важна для сложных (закрытых) строительных сооружений, таких как дренажные устройства волжского оползневого склона и объектов, находящихся в зоне подтопления.

В. Г. Тишин, В. Г. Турченко, 2007

Практика показывает, что устойчивое функционирование этих сооружений, с большим числом индивидуальных и уникальных характеристик, во многом определяется текущими наблюдениями и контролем их параметров на стадии текущей эксплуатации.

Проведение целенаправленного ИМ состояния сложных объектов позволит избежать многих неблагоприятных воздействий оползневых массивов на действующие объекты экономики, такие как железная дорога, автодороги и объекты городской инфраструктуры.

Стохастический характер и неопределённость воздействий на сложные техноприродные системы, какими являются объекты инженерной защиты (ОИЗ), в наибольшей степени проявляются на стадии их длительной эксплуатации. При этом в течение периода эксплуатации эти сооружения подвергаются бесконтрольным сверхнормативным воздействиям внешней среды, также имеющим вероятностный характер. Типичными представителями сложных техноприродных систем являются объекты инженерной защиты на активных оползневых склонах, такие как дренажные штольни и другие осушительные и водоотводящие устройства. В сложной системе эксплуатации этих уникальных сооружений без глубокого и всестороннего изучения взаимо-влияющих факторов невозможно оценить и регламентировать все эксплуатационные параметры, нагрузки, воздействия и ситуации. Кроме того, в течение длительного периода эксплуатации меняется прочностное состояние этих конструкций, прочностное состояние грунта и, соответственно, пространственное положение сооружения.

Обеспечение устойчивой эксплуатации таких сложных строительных сооружений, как дренажные штольни, заглубленные на 15...30 м, требует регулярного наблюдения за возникновением дефектов и значительных деформаций элементов в конструкциях этих объектов, и проведения прогнозирования последствий подобных изменений.

Необходимость создания системы управления риском ответственных и сложных техноприрод-ных систем в виде урбанизированного оползневого склона потребовала разработку системы оценки и прогнозирования уязвимости оползневых территорий и уязвимости ОИЗ. Для оценки этих уязвимостей необходим качественный ИМ, являющийся исходным инструментом обеспечения устойчивой эксплуатации ОИЗ.

В составе этого мониторинга предполагается постановка и решение следующих задач:

- получение результатов наблюдений за состоянием ОИЗ на оползневом склоне и за состоянием самого склона;

- создание и корректировка общей методологической схемы исследования состояния ОИЗ;

- создание адекватной системы обработки результатов наблюдения за состоянием ОИЗ и разработка сценариев принятия решений;

- выбор управляющих решений, приводящих к минимизации риска.

В условиях разрозненности значимой информации по многим базам данных, большого объёма неформализуемой исходной информации, неопределённости многих полученных данных и неопределённости реализации эксплуатационного цикла ОИЗ, отсутствие аналогов эксплуатации рассматриваемых сложных систем, обработка материалов инженерного мониторинга за состоянием ОИЗ вынужденно осуществляется экспертными методами.

В экспертном модуле ИМ используется смешанная продукционная модель представления знаний: как информации экспертного типа от специалистов различных областей знаний, так и из различных документальных источников и нормативных материалов.

Анализ состояния эксплуатационных параметров сложных техноприродных строительных систем на примере ОИЗ на оползневом склоне в условиях постоянного воздействия геоэкологических и техногенных факторов подтвердил необходимость системного мониторингового контроля за функционированием объектов, от которых зависит безопасность транспортных систем и состояния городской инфраструктуры, размещённых на склоне.

Для эффективной реализации системы инженерного мониторинга состояния ОИЗ оползневого склона в г. Ульяновске необходимо в первую очередь построить адекватную математическую модель, которая позволит установить достоверный характер воздействия внешней среды на объект и оценить возможность устойчивой эксплуатации склона в моделируемых экспертами внешних условиях.

Предлагаемый подход позволит в значительной мере снизить риск возникновения аварийной, а в конечном итоге и чрезвычайной ситуации. Принимая во внимание сложность оползневого процесса на застроенном волжском склоне и относительно слабую предсказуемость поведения этой техноприродной системы в целом, требуется выделить актуальные потенциально опасные территории (АПОТ), на которых находятся автодорога, железная дорога, существующий и вновь строящийся мосты, здания исторического наследия и т. п., из которых необходимо создать подсистемы сбора первичных информационных данных, позволяющих отслеживать (в том числе перспективно) опасные изменения (аномалии) в режиме подземных вод и пространственного положения оползневых массивов.

Это даст возможность принять своевременные корректирующие решения по составу и состоянию инженерной защиты склона и позволит минимизировать риск. В итоге своевременно принятые решения, на основе объективных данных мониторинга, позволят поддержать безопасное состояние урбанизированного оползневого склона в составе эксплуатируемой техноприродной системы (ТПС). При этом система инженерной защиты склона рассматривается как алгоритм оптимального управления риском, который включает в себя три основных блока, рис.1:

- подсистему баз данных и информационного анализа на АПОТ;

- подсистему принятия управленческих решений на АПОТ;

- подсистему реализации управленческих решений на АПОТ.

При формировании баз данных по натурным объектам ТПС мы предлагаем использовать методику многоуровневой интегральной оценки состояния ТПС, разработанной на основе метода экспертных оценок [1] с использованием метода анализа иерархий [3].

Анализ отечественных методик по оценке уязвимости существующих зданий и сооружений [1, 2, 4] показывает, что причинами потери устойчивости грунтов и водосборных сооружений, размещённых в них, являются низкая проч-

ность вмещающих пород и их геологическая на-рушенность за счёт оползневых проявлений и обводнённости этих горных массивов.

Особо опасными повреждениями при этом являются обрушения и смещения грунтовых массивов по контактам конструкции штольни и пород повышенной влажности. Обрушение и смещение сооружения в этом случае происходит, как правило, внезапно без проявления каких-либо предупредительных внешних признаков.

Как показывают обследования состояния конструкций штолен и вмещающего их грунта, за счёт его водонасыщения значительно уменьшается прочность грунтового массива склона и идёт интенсивное его расслоение и нарастание массы. При этом происходит смещение вниз по склону оползающего грунтового массива вместе с размещённой конструкцией водосборной штольни.

Таким образом, описанный критический аварийный сценарий должен быть принят как рабочая расчётная схема, на основании которой должны быть предусмотрены конструктивные

меры, обеспечивающие устойчивость дренажных систем при проведении ремонтных работ и работ по их реконструкции.

Для реализации предполагаемых управленческих решений исходной базой данных должны явиться результаты мониторинга состояния эксплуатируемых противооползневых сооружений.

При решении прикладных задач, применительно к конкретному оползневому склону, в первую очередь необходимо оценить состояние ТПС с точки зрения её эксплуатационной пригодности.

Проведённый анализ вариантов оценки состояний различных ТПС по источникам [7, 8, 9, 10, 11, 12] показывает, что наиболее удобным описанием состояния является вербальное (словесное) описание. Например, в [9, 10] использована такая классификация по отношению к разрушениям: незначительные, средние, тяжёлые, значительные повреждения и частичные разрушения. Аналогичная схема классификации принята и в работах [11, 12].

Информационная модель эксплуатационного состояния ОИЗ

База математических моделей эксплуатационного состояния ОИЗ

База данных инженерного мониторинга состояния ОИЗ

Информационные ресурсы других баз данных и знаний

Общая база данных

Интерфейс процесса моделирования, обработки результатов и отображения инсЬоомаиии

1____________У-____________х-

Эксперт, проводящий оценку состояния ОИЗ

Экспертная система, предназначенная для диагностирования состояния ОИЗ и оползневого склона

Языковой процессор

Процессор проблем, переменных и правил действия

г

Корректировка, обновление, дополнение информации

Оценка эксплуатационного состояния ОИЗ

Прогноз динамики эксплуатационного состояния ОИЗ

Выработка мероприятий, обеспечивающих работоспособность ОИЗ

Выработка управляющих рекомендаций и решений

Управляющая система более высокого уровня; обеспечение безопасности всей тсхноприродной системы (урбанизированного склона)

Рис. 1. Алгоритм управления безопасностью урбанизированного оползневого склона

В работе [5] предложена непрерывная шкала уровней повреждения, которые описываются дробным числовым рядом в пределах от 0 до 1.

При этом рассматриваемое сооружение представляется как сложная ТПС, состоящая из отдельных подсистем в виде взаимодействующих конструктивных элементов, а причины нарушения их работоспособности можно сформулировать следующим образом:

- некачественный монтаж конструкций;

- расстройство соединений элементов и конструкций в процессе эксплуатации;

- недопустимые деформации несущих конструкций за счёт неполного и неточного учёта влияющих на эксплуатацию природных и т. п. факторов;

- старение и коррозия соединений и конструктивных элементов;

- неадекватная реакция системы и отдельных конструктивных элементов (подсистем) на воздействия факторов природной среды;

- неконтролируемое подтопление оползневой территории и оползневого массива, вызывающее значительное снижение прочностных свойств грунтов, вызывающих недопустимые деформации объектов инженерной защиты в теле оползневого склона.

Опираясь на результаты измерений, полученных в процессе инженерного мониторинга [6], эксперты должны определить (классифицировать) состояние контролируемого объекта в соответствии со шкалой повреждения, приведённой на рис. 2, где 0 соответствует отсутствию повреждений, а 1 - полному разрушению сооружения.

Принятое описание недостаточно строгое и основано на логике экспертных рассуждений, но при этом предполагается, что каждому уровню повреждений соответствует необходимая рекомендация для принятия управленческих решений.

Эта оценка содержит несколько промежуточных диагностических ступеней, уровни которых выводятся из связанных с ними состояний, принятых по наличию и частоте проявления значимых дефектов на обследуемом участке (фрагменте) сооружения.

Состояние техноприродных систем в целом или их отдельных фрагментов, как в нашем случае, определяется по общей сумме факторов нарушения состояния (дефектов)

п

А,=1>,.

/=1

(1)

где п - количество дефектов, формирующих состояние ТПС на рассматриваемом участке (фрагменте);

Ф; - оценка значимого дефекта, на рассматриваемом участке ТПС в пределах дробного числового ряда от 0 до 1.

В рассматриваемом случае крайне важным является назначение оценки значимости дефекта. Эта задача решается путём построения шкал показателей значимости (от 0 до 1).

Показатели значимости назначаются с использованием экспертных оценок. С учётом этого положения выражение (1) примет вид

п

(2)

ы

где Р{ - показатель значимости дефекта, влияющего на состояние ТПС, (0<P¡ 1).

Наиболее подходящим способом для расчета этого показателя подходит метод анализа иерархий (МАИ), где показатели значимости сравниваются попарно независимо друг от друга [3].

Одновременно МАИ обладает ещё и тем преимуществом, что позволяет оценить качество работы эксперта по, так называемому, индексу однородности (ИО), который даёт информацию об отклонениях от установленных пределов однородности мнения экспертов.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

нет

повреждений

V

3 С

слабые умеренные поврежде- повреждения ния

X

V

N

общая сумма

значимых

дефектов

(уязвимость

системы)

-V

сильные аварийные повреждения повреждения

Рис. 2. Состояние обследуемых сооружений и их вербальное (словесное) отображение

Для оценки однородности мнений экспертов принимаются 00 и И0, где 00 - отношение однородности:

ИО

00 = —7-Г, (3)

м(ио)

где ИО - индекс однородности суждений экспертов;

М(ИО) - среднее значение (математическое ожидание) индекса однородности случайным образом составленной матрицы парных сравнений, которое основано на экспериментальных данных согласно [3].

(Кох - п)

ио =

(4)

0.-1) '

Хмах - собственное число матрицы парных

сравнений [3];

п - число сравниваемых данных, соответствующих числу экспертов;

Условие допустимости расхождений во мнениях экспертов может быть представлено в виде

00 < ОД 0. (5)

Качество эксперта оценивается по величине отношения однородности (00). Величина 00 должна быть в пределах 10% или менее, чтобы быть приемлемой. Как исключение, величина ОО для строительных конструкций, работающих в сложных условиях, допускается 20%, но не более. Если 00 выходит из этих пределов, то результаты работы этих экспертов должны быть исключены из системы оценок.

В расчёте состояния ТПС показатель качества эксперта также принимается в пределах от 0 до 1, где 0,8< Эк 1.

Таким образом, многоуровневая интегральная оценка состояния ТПС может быть выполнена по следующей формуле:

т

п

(б)

2>« >1 /=1

где Д -многоуровневая интегральная экспертная оценка состояния ТПС;

Ф/ - экспертная оценка ьго дефекта в ^й группе, скорректированная с учётом показателя качества эксперта (Эк);

Р,- - показатель значимости ьго дефекта в ^й группе;

К/ - удельный вес ]'-й группы факторов (дефектов);

г - номер текущего фактора (дефекта) в ]-й группе;

у - номер текущей группы факторов;

т - количество групп факторов на анализируемом участке;

п - количество факторов в группе]';

Ь - количество сечений на анализируемом участке.

Интегральная оценка состояния рассматриваемого ТПС, выполненная с применением экспертных оценок, предполагает такую последовательность:

1. Выбор влияющих на состояние объекта факторов (дефектов). Этот выбор проводится по результатам анализа взаимодействия дренажного сооружения (ДС) с грунтовой средой оползневого массива. Факторы должны быть согласованы с условиями надёжности и безопасности функционирования ДС в оползневом массиве. При большом количестве факторов они могут быть разбиты на группы, каждая из которых исследуется отдельно;

2. Определение показателей значимости фактора (дефекта), влияющего на состояние ТПС, с использованием МАИ и метода экспертных оценок;

3. Выявление качества экспертов в составе экспертной группы, которое проводится по отношению однородности;

4. Оценка технического состояния противооползневой дренажной системы.

На завершающем этапе воссоздаётся картина технического состояния ДС и принимается управленческое решение. Это решение принимается после сравнения величины интегральной оценки Д с показателем уязвимости ТПС (см. рис. 2). По результатам этого сравнения оценивается общее состояние обследуемого сооружения.

Предлагаемый алгоритм (см. рис.1), использующий базу данных ИМ, входящего в состав экспертной системы диагносцирования состояния 0ИЗ, позволяет выработать адекватные негативным техноприродным воздействием управленческие решения по обеспечению устойчивой безопасности урбанизированного оползневого склона.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Оценка и управление природными рисками. Тематический том / под ред. А. Л. Рогозина. Т. 6. -М. : Издательская фирма «Крук», 2003. - 320 с. (Сер. Природные опасности России).

2. Правила оценки физического износа жилых зданий (ВСН 53-86 р) Ведомственные строительные нормы. Госгражданстрой / Утверждены 24.12.1986 г.-М., 1986.-71 с.

3. Саати, Т. Аналитическое планирование / Т. Са-ати, К. Керне. - М.: Радио и связь, 1991. - 224 с.

4. Сурков, А. В. Исследование устойчивости и надёжности крепления выработок, проводимых

вблизи дневной поверхности / А. В. Сурков, С. Н. Подображин и др. // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 1. - С. 52-55.

5. Тишин, В. Г. Обоснование возможности использования нечёткой информации в прогнозировании безопасности эксплуатируемых зданий и сооружений / В. Г. Тишин // Материалы XI международ, научно-практ. конф. по проблемам защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций. - М., 2006. - С. 407-417.

6. Турченко, В. Г. Инженерный мониторинг эксплуатационных параметров системы инженерной защиты оползневого склона / В. Г. Турченко, В. Г. Тишин // Материалы I международной научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Проблемы безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии». - Ульяновск, 2007.

7. Hart, G. С. (1976) Estimation of Structural Damage. J.H. Wiggins Company, Los Angeles, CA.

8. Hsu, D .S., Gaunt J. Т., and Yau J. N. P., (1976) «Structural Damage and Risk in Earthquake Engineering», Proceeding, International Symposium on Earthquake Structural Engineering, Vol. Z, University of Missury, Rolla, MO, pp 843-856, 19-21 August.

9. Earthquake Engineering Research Institute, (1977). Learning from Earthquakes 1977, Planning and Field Guides, Berkeley, CA.

10. Housner, G. M. and Jennings, P. C., (1977). Earthquake Design Griteria for structures Report № EERC 77-06, California Institute of Technology, Pasadena, CA.

11. Kudder, R., (1977). Private Communication, 20 April.

12. Yao, J. T. P., (1980). «Damage Assessment of Existing Structures», Journal of the Engineering Mechanics Division, Asce, Vol 106, № EM4.

@@©©в®©©©©©@©©©©©©©

Тишин Валерий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «БЖД и промышленная экология». Имеет монографию, учебные пособия, отраслевые нормативные документы, изобретения и статьи в области обеспечения безопасности при эксплуатации зданий и сооружений, возводимых в сложных геоэкологических условиях.

Турченко Владимир Геннадьевич, инженер института Ульяновскгражданпроект. Область интересов - восстановление и реконструкция существующих зданий и сооружений в сложных геоэкологических условиях.

УДК 692.41

Н. Ш. КАДЫРОВА, В. П. ЗЛОТОВ, С. Ю. СТЕНИН

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДОИЗОЛЯЦИОННОГО КОВРА ПРИ РЕМОНТЕ мягкой РУЛОННОЙ КРОВЛИ И ОПЫТ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ НА КРОВЛЯХ УЛЬЯНОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Изложена технология термомеханической обработки водоизоляционного ковра гибким поверхностным электронагревателем при ремонте мягкой рулонной кровли и опыт её применения на кровлях УлГТУ.

Ключевые слова: мягкая рулонная кровля, ремонт, термомеханический способ.

В настоящее время при устройстве и ремонте кровель из рулонных материалов строители в основном применяют наплавляемые рулонные материалы на негниющей основе с битумными и битумно-полимерными покрытиями. Все чаще

© Н. Ш. Кадыров, В. П. Злотов, С. Ю. Стенин, 2007

возникает вопрос о наиболее эффективном способе наклейки новых рулонных материалов, т. е. способе, при котором размягчение покровного слоя наклеиваемых материалов было бы быстрым, нагрев до требуемой температуры - абсолютно безопасным и равномерным.

Технология ремонта, основанная на термомеханическом способе обработке водоизоляцион-