CC BY
24
УДК 504, 613, 614 DOI: 10.24412/1816-1863-2020-4-63-68
к
о
ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ ВБЛИЗИ Е. М. Шумакова, кандидат технических °
наук, старший научный сотрудник, ч
Институт водных проблем РАН сс
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ, (ИВП РАН), spectr56@gmail.com, а
КРУПНОЙ ПЛОТИНЫ:
И СОЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВИБРАЦИИ МГУ им. М. В. Ломоносова
maxim.vashchenko@gmail.com,
Москва, Россия
ТЕХНИЧЕСКИЕ Москва, Россия, *
М. О. Ващенко, выпускник е
Факультета государственного управления
ы
О ^
0 Г)
1
Москва, Россия, с
В. И. Гудилин, выпускник аспирантуры *
Института водных проблем РАН т
(ИВП РАН), vlgg@mail.ru, о
-I
а>
О-
Г>
Рассматривается малоизученный фактор воздействия работающих гидросооружений на приле- а гающие территории — вибрационное воздействие на грунты и жилые здания. Приводятся возможные причины интенсивного проявления вибраций в районе Жигулевской ГЭС. Анализиру- г ются результаты измерений параметров вибрации жилых зданий при попусках через водослив- о ную плотину Жигулевской ГЭС в весенний период. На примере типового здания, выбранного из более чем 100 обследованных, детально анализируются амплитудно-частотные и пространст- и
к
венные характеристики вибраций. Показаны независимые колебания в горизонтальной плоскости вдоль и поперек длинной оси здания с различными частотой и амплитудой, наличие вращательного движения результирующего вектора скорости вибраций в пространстве. Делается О попытка оценки возможного влияния на самочувствие и здоровье жителей подобных вибраций о на основе их амплитудно-частотных и пространственных характеристик, продолжительности ы воздействия, научных представлений о влиянии на людей и лабораторных животных и сущест- й вующих санитарных норм. Проводится оценка имеющихся и возможных социальных и эконо- т мических последствий воздействия вибрации на жилые здания с учетом технических характе- q ристик жилого фонда, экономической ситуации городского округа Тольятти, социальной напряженности в связи с вибрацией зданий. Предлагаются различные варианты решения проблемы от защиты жилых помещений путем устройства индивидуальных демпфирующих оснований до государственного регулирования эксплуатации приплотинных территорий как отдельно выделенного объекта.
Insufficiently studied factor of hydraulic structures affected on adjacent territories is considered as vibration impact on soils and residential buildings. There are possible reasons for the intense manifestation of vibrations in the area of the Zhigulevskaya hydroelectric power station (HPS). The measurements results of vibration parameters of residential buildings during passes through the spillway dam of Zhigulevskaya HPS in the spring are analyzed. On the example of one of the typical buildings selected from more than 100 surveyed, the amplitude-frequency and spatial characteristics of vibrations are analyzed in detail. Independent oscillations in the horizontal plane along and across the long axis of the building with different frequency and amplitude, the presence of rotational motion of the resulting vector of vibration velocity in space are shown. An attempt is made to assess the possible impact of such vibrations on the well-being and health of residents based on its amplitude-frequency and spatial characteristics, the duration of exposure, scientific ideas about the impact on humans and laboratory animals and existing sanitary standards. An assessment of the existing and possible social and economic consequences of vibration impact on residential buildings is carried out, taking into account the technical characteristics of the housing stock, the economic situation of the Togliatti urban district, social tension due to the vibration of buildings. Various options are proposed for solving the problem: from the protection of residential premises by installing individual damping bases to the state regulation of the exploitation of dam areas as a separate facility.
Ключевые слова: вибрации грунтов, вибрации зданий, попуски ч ерез водосливную плотину, влияние вибрации на живые организмы, влияние вибрации на людей, экономические последствия действия вибрации, социальные последствия действия вибрации, техническое состояние зданий.
Keywords: soil vibrations, building vibrations, passage of spring flood through the spillway dam, effects of vibration on living organisms, effects of vibration on people, economic consequences of vibration action, social consequences of vibration action, building technical condition. 63
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а
О ^
О
о
и
Ш
IX
О ^
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф т
О
64
Введение
Вибрации зданий и сооружений все ч а-ще д ействуют на ч еловека вне производства — дома, во время отдыха. Относительно недавно установлено, что работающая ГЭС, в данном случае Жигулевская, создает мощное вибрационное воздействие на близлежащие селитебные территории.
В силу особенностей компоновки гидроузла водосливная плотина расположена отдельно от гидроагрегатного зала и практически примыкает к левобережью. Застройка этой территории началась в период строительства гидроузла: сначала хаотичная, позднее плановая — высотными зданиями. Наиболее сильные вибрации грунтов и зданий возникают весной при холостых попусках через водосливную плотину.
Теоретически радиус распространения упругих волн, генерируемых плотиной и вызывающих вибраций грунтов, ограничен. По факту вибрации грунтов обнаруживаются в радиусе более 10 км от плотины. Дальнему распространению упругих волн способствует общее напряженно-деформированное состояние геологической среды в условиях встречных движений тектонических структур территории, локальный вклад вносит подтопление, гравитационные процессы. В итоге вибрации грунтов охватывают территории, где расположены порядка 300 жилых зданий, другие объекты. Частота собственных колебаний зданий попала в частотный диапазон вибраций плотины, происходит резонансная раскачка. При пропуске половодья иногда до двух месяцев здания вибрируют вместе с плотиной. Максимальное зафиксированное значение скорости вибраций составило 1,5 мм/с на 9 этаже одного из зданий.
Кроме района Жигулевской ГЭС вибрации грунтов при попусках через плотину ощутимо проявились в Китае [6].
Долгое время вибрации рассматривались с позиций безопасности плотины, ускоренного разрушения зданий, повышенной потребности в ремонте, возможности ЧС. Влиянию вибраций на самочувствие и здоровье населения уделялось самое малое внимание, хотя все началось с жалоб населения на раскачку зданий. В 2007 г. признано превышение санитарных норм по вибрации жилых зданий, невозмож-
ности избежать этого при нормальной работе гидроузла [2]. Жители оказались социально незащищенными в плане воздействия вибраций.
Результаты опросов показали негативную реакцию жителей. Они считают ошибочной застройку территории вблизи плотины, покидают свои квартиры на время пропуска половодья в связи с невозможностью проживания. Люди ощущают головокружение, тошноту, скачки давления, страхи и депрессивное настроение, тревогу, головные боли, боли в области сердца и многое другое, что соответствует признакам, характерным для вибрационной болезни; особенно сильно страдают пожилые люди и инвалиды, которые «лежат» две недели в период максимальных сбросов [5]. Зафиксирован случай, когда женщина с сыном-подростком, приехавшие в гости, приняли момент начала холостых сбросов за землетрясение и простояли ночь в несущем проеме квартиры. Васильевым А. В. (Тольяттинский университет) показано, что на многих участках проявляются еще и инфразвуки, что усиливает суммарное воздействие упругих колебаний.
Основой для оценки влияния вибраций на организм человека служат работы периода индустриализации, выполненные под руководством Е. Ц. Андреевой-Гала-ниной, когда в ходе экспериментов на добровольцах установлены основные характеристики вибраций, имеющие значение при оценке их действия, такие как область их приложения, направление, амплитудно-частотные характеристики, продолжительность и т. д.
Более поздние российские и зарубежные исследования на лабораторных животных расширяют представление о возможном негативном влиянии вибраций на организм человека. Не имеется научных данных о влиянии именно вибраций, генерируемых гидроузлом на организм человека.
Оценке возможного воздействия вибраций зданий вблизи Жигулевской ГЭС в соответствии с современными научными представлениями о закономерностях их влияния на организм человека посвящена данная работа.
Модели и методы
Экспериментальную основу исследований составляли измерение вибрации жи-
лых здании в период максимальных холостых сбросов через водосливную плотину Жигулевской ГЭС.
Измерения на первых и последних этажах зданий продолжительностью 15 мин выполнялись переносными сейсмостан-циями с маятниковыми сейсмометрами типа СМ-3 в разные годы. Виброграммы сохранялись в исходном виде, что позволило в рамках данного исследования произвести их повторную обработку в целях определения значимых для воздействия на живые организмы параметров.
Проводился Фурье-анализ виброграмм: определялись амплитудно-частотные характеристики скоростей вибраций.
Для оценки воздействия вибраций на людей использовались данные научной и справочно-нормативной литературы о влиянии вибраций на людей и живые организмы.
Результаты и обсуждение
Результаты обработки данных о вибрации нескольких десятков зданий показали, что процесс типичен и индивидуален одновременно. Общее — источник и сезонность вибрации, процесс резонансной раскачки. Отличаются собственные частоты колебаний зданий в диапазоне 1—5 Гц, соотношение амплитуд на уровне грунта и на последних этажах.
Анализ и оценка воздействия вибраций на людей проведены на примере одного из проблемных зданий — 9-этажного, расположенного на береговом склоне выше
плотины на расстоянии 2 км от плотины и 150 м от уреза воды.
Выявлено наличие «биений», при этом моменты усиления для каждой из горизонтальных составляющих не совпадают и повторяются с разной периодичностью (рис. 2). При детализации за 30 сек и 5 сек видно, что колебания зданий происходят в разных направлениях с существенно отличающейся, амплитудой и частотой. По результатам анализа Фурье поперек длинной оси здания это приблизительно 1,8 Гц, вдоль — 1 Гц.
Из этого следует, что краткосрочные измерения вибраций зданий вблизи работающей ГЭС стандартными измерительными приборами с выдачей интегральной оценки могут не показать объективной картины, мала вероятность зафиксировать момент наиболее интенсивных вибраций.
Оценка вибрации данного здания, передающихся людям, с позиций разделения на возвратно-поступательные движения вертикального и горизонтальных направлений, а также вращательные вибрации показывает, что происходит стохастическое изменение направления и модуля вектора скорости вибраций (подобное движение с тремя степенями свободы происходит на некоторых аттракционах) (рис. 3).
Выявленные параметры отличают вибрацию зданий от обычных производственных, когда вектор приложения силы, как правило, известен.
Норм для оценки таких вибраций — одновременно вертикальных, горизонтальных и вращательных — не существует.
О) ^
о
О -1
х
а>
Г)
а
¡а
б
а>
ы
О ^
а
г> л
О г>
г>
-I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
а
о ~о о ш
г> ^
о
X
о
ы
Г) -I
оз
а
о
т
I-
и
>4
со О X
О ^
и а
О ^
О
800 400 0
-400
400 0
^00
30
31
40 ,
50 . 300
32 33 а)
50
х83
34
35
200 0 -200
200 0
-200200: 0-200-
У83
мттшнш?
130 131 132 133 134 135
б)
О
и
Ф
IX
О ^
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф
Т X
О
Рис. 2. Скорости вибраций жилого здания на уровне 9-го этажа: а) в направлении поперек длинной оси здания; в) в направлении вдоль длинной оси здания. По вертикали -скорости вибраций в мкм/с, по горизонтали время, с
Из соображений здравого смысла можно предположить, что подобное воздействие более интенсивно, чем вибрация одного конкретного направления.
Анализ ч астот вибраций зданий применительно к воздействию на организм человека показывает: горизонтальные колебания с частотой 2 Гц могут действовать через согнутые ноги (что характерно для человека, сидя отдыхающего дома), а через них д ействовать на весь организм. Область резонанса для головы в положении сидя при горизонтальных вибрациях располагается в диапазоне 1,5—2 Гц, а значит, во время сна или отдыха в положении лежа вибрации воздействуют на голову ч е-ловека.
Вибрация зданий является общей, при действии каковой на организм страдает в первую очередь нервная система и анали-
66
6000 -6000
Рис. 3. График изменения направления и модуля вектора скорости вибраций: сплошная линия — траектория движения
заторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Таким образом, хотя бы часть возникающих вибраций происходит на частотах, о которых уже известно, что они оказывают негативное воздействие на живой организм и человека [1, 3].
На основе экспериментов на лабораторных животных уместно предположить, что вибрации негативным образом действуют на все органы и системы человека: кровеносную, лимфатическую, сердечнососудистую, костную, мочеполовую, приводят к изменениям в развитии потомства (многочисленные работы российских и зарубежных ученых).
Вибрации зданий приводят к их ускоренному разрушению. По данным Самарского министерства по чрезвычайным ситуациям к 2008 г. в Тольятти на особом учете состояло более сотни домов с жилой площадью более миллиона квадратных метров, из них более половины — высотой девять и более этажей. У всех зданий имеются трещины строительных ограждающих и внутренних конструкций, межпанельных стыков и др. Жители понимают, что вибрации нарушают комфортность проживания и влияют на самочувствие и, возможно, здоровье, и в целом срок эксплуатации зданий в зоне вибрационного воздействия существенно ниже. Они не желали бы устранять последствия за счет своих средств, но не представляют иного пути.
Сами жители также вносят вклад в усиление вибраций в квартирах, устраивая бетонные стяжки вместо деревянных лаг, настилая плитку и ламинат — жесткие покрытия, не обладающие демпфирующими свойствами. Существует довольно
недорогой (~ 50 тыс. руб. для двухкомнатной квартиры) путь индивидуальной защиты — устройство индивидуальной демпфирующей преграды в виде мягкого многослойного пола (линолеум, ковролин).
Социально-экономическое положения Тольятти — моногорода, бюджет которого формировали «АвтоВАЗ» и энергоемкие химические предприятий (производство азота, фосфора и их производных), резко ухудшилось после кризисов 2008 г., 2014 г. Муниципалитет не в состоянии ныне финансировать необходимые мероприятия по мониторингу и ремонту зданий.
Положение Тольятти в сравнении с центром региона — Самарой показывает, что при соотношении населения 22 к 36 % ввод в действие общей площади жилых домов составляет 6 к 35 % от областных объемов соответственно, что указывает на существенный перевес финансовых возможностей на стороне Самары [4]. Но ремонт и реконструкция зданий в зоне вибрационного воздействия невозможны в рамках программ по ликвидации ветхого и аварийного жилья, реализуемых на уровне субъекта федерации, так как в Самарской области дома, простоявшие более 50 лет, составляют четверть жилых площадей региона, из них 2 % довоенной постройки. Имеются центральная часть Самары, Сызрани, районных центров области, застроенные «до революции»; на этом фоне здания с 25—30-летним периодом эксплуатации, хотя и покрытые многочисленными трещинами, неконкурентоспособны. Из областного резервного фонда финан-
сируется выборочный ремонт отдельных зданий.
В целом муниципальный и областной ресурс исчерпаны, как и ведомственный. Решение вопроса на федеральном уровне сталкивается с рядом трудностей: требуется определить приплотинную территорию как объекта государственного регулирования, разработать нормативную базу, определить ответственность [2].
Заключение
Существует проблема нарушения комфортности проживания людей вблизи плотины, когда вибрации зданий в связи с работой гидросооружения превышают порог чувствительности человека и действующие санитарные нормы. Вибрации имеют сложную структуру с продолжительностью воздействия до 1—2 месяцев. Норм для оценки действия именно таких вибраций не существует. По аналогии вибрации подобного частотного диапазона обладают вредоносным воздействием; следует детальнее изучить влияние вибраций плотины на организм человека.
Проблему влияния вибраций на жителей домов вблизи плотины желательно решать в комплексе с проблемой государственного регламентирования эксплуатации приплотинных территорий.
Работа выполнена в рамках темы № 0147-2019-0004 (государственная регистрация № АААА-А19-119040990079-3) Государственного задания ИВП РАН в 2019-2020 гг.
О» а
о
О -1 X х
CD
Г)
а О
б
CD ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
CD
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
а
О
X
о
ы ш й Г) -I
оз О
Библиографический список
1. Вибрации в технике: справочник. — М.: Машиностроение, 1981. — Т. 6. — С. 406—414.
2. Митина Н. Н., Шумакова Е. М., Ващенко М. О. Регламентация эксплуатации приплотинных территорий крупных гидротехнических сооружений // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. — 2020. — № 1. — С. 72—91.
3. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилы и общественных зданий. СН 2.2.4/ 2.1.8.566—96. — М., 1996.
4. Регионы России. Основные социально-экономические показатели городов. — М., 2018.
5. Шумакова Е. М. Социальные аспекты гидродинамического воздействия Жигулевской ГЭС на территории г. Тольятти // Материалы конференции «Социальные инновации в развитии страны, города, региона». — РГСУ, Тольятти. — 2011.
6. Lian J., Zhang Y., Liu F., Zhao Q. Analysis of the ground vibration induced by high dam flood discharge using the cross wavelet transform method // Journal of Renewable and Sustainable Energy. — 2015. — Т. 7. — No. 4. — С. 043146.
67
RESIDENTIAL BUILDINGS NEAR A LARGE DAM: VIBRATIONS, ECOLOGICAL, 2 TECHNICAL AND SOCIAL CONSEQUENCES
u
m E. M. Shumakova, Ph. D. (Technical Sciences), senior researcher, Institute of Water Problems, X Russian Academy of Sciences, spectr56@gmail.com, Moscow, Russia,
o
a
O O.
O
o
m
CD
m
vo
a
u
o (D
M. O. Vashchenko, postgraduate student, Faculty of public administration of Lomonosov Moscow state University (FGUMSU), maxim.vashchenko@gmail.com, Moscow, Russia,
¡^ V. I. Gudilin, postgraduate student, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences
(IVP RAS), vlgg@mail.ru, Moscow, Russia
References
u 1. Vibracii v texnike: Spravochnik [Vibrations in technology: Reference book]. — M.: Mashinostroenie,
1981. — Vol. 6. — P. 406—414 [in Russian]. 2. Mitina N. N., Shumakova E. M., Vashenko M. O. Reglamentaciya ekspluataciipriplotinnyh territorij krup-O nyh gidrotehnicheskih sooruzhenij. Vodnoe hozyajstvo Rossii: problemy, tehnologii, upravlenie [Regulation of
operation of a large hydroelectric plants dams' area] // Water management in Russia: problems, technol-u ogies, management. — 2020. — No. 1. — P. 72—91 [in Russian].
Í 3. Proizvodstvennaya vibraciya, vibraciya vpomeshheniyaxzhily'i obshhestvennyxzdanij. SN2.2.4/2.1.8.566—96
O [Production vibration, indoor vibration of residential and public buildings. Sanitary standards]. — M.,
x u
1996 [in Russian].
O 4. Regiony Rossii. Osnovnye socialno-ekonomicheskie pokazateli gorodov [Regions of Russia. The main socio-
O economic indicators of cities]. — M., 2018 [in Russian].
5. Shumakova E. M. Socialnye aspekty gidrodinamicheskogo vozdejstviya Zhigulevskoj GEESna territorii Tolyatti [Social aspects of the hydrodynamic impact of the Zhigulevskaya hydroelectric station in the territory of Togliatti] // Proceedings of the conference "Social innovations in the development of the country, city, region", Tolyatti. — 2011 [in Russian]. ^ 6. Lian J., Zhang Y., Liu F., Zhao Q. Analysis of the ground vibration induced by high dam flood discharge
x using the cross wavelet transform method // Journal of Renewable and Sustainable Energy. — 2015. —
T. 7. - No. 4. - P. 043146.
68
