Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Аксьом Наталія Миколаївна

УДК 550:681.3

прогноз стійкості схилів з урахуванням впливу атмосферних опадів (на основі ГІС-технологій)

Спеціальність 04.00.05 – геологічна інформатика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ – 2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: | кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент КОШЛЯКОВ Олексій Євгенович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології (м. Київ)

Офіційні опоненти: | доктор геолого-мінералогічних, географічних, технічних наук, професор Рудько Георгій Ілліч, голова Державної комісії України по запасах корисних копалин (м. Київ);

кандидат геолого-мінералогічних наук Люта Наталія Георгіївна, вчений секретар Українського державного геологорозвідувального інституту (м. Київ)

Захист відбудеться 24 січня 2008 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.001.42 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий 20 грудня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат геологічних наук | І.В. Віршило

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Київ – одне з найбільших міст України, де зсувні процеси розвинуті досить широко, охоплюють велику територію і зумовлюють значні збитки. В зв’язку з інтенсивної забудовою міста постає актуальна проблема використання потенційно-небезпечних зсувних територій для господарських потреб.

При аналізі стійкості ґрунтових схилів враховуються майже всі діючі активні фактори, їх сполучення (в тому числі і несприятливі). При цьому в процесі проектування ґрунтових споруд їх укосам надають деякий запас міцності і стійкості. Проте і після цього часто спостерігаються деформації та руйнування укосів і зміщення ґрунтових мас на схилах, де попередньо були проведені певні протизсувні заходи. Такі деформації та руйнування можуть бути пояснені результатом впливу не врахованих (повністю або частково) при розрахунках стійкості факторів, насамперед інфільтрації вод атмосферних опадів. На цю обставину в свій час звертали особливу увагу такі дослідники, як Ф.П. Саваренський, В.В. Аристовський, А.М. Дранніков, Є.П. Ємельянова, В.Д. Ломтадзе, М.М. Маслов, Р.Р. Чугаєв, Г.М. Шахунянц та ін. Проте з аналізу відповідної науково-технічної літератури випливає, що систематичним дослідженням питань про вплив вод атмосферних опадів на стан схилів поки що не приділялось належної уваги. З цієї точки зору вплив інфільтрації води атмосферних опадів слід розглядати як один із найважливіших факторів, що вимагає вивчення і врахування, з використанням сучасних геоінформаційних технологій, що дозволять оптимізувати витрати часу та підвищать економічну ефективність проведення досліджень.

Останнім часом у зв’язку з накопиченням величезного об’єму різнорідної інженерно-геологічної, гідрогеологічної та загально геологічної інформації на твердих носіях у вигляді карт і таблиць постала необхідність в її зберіганні, оптимізації доступу й обробки. Провідну роль у вирішенні цього питання відіграють геоінформаційні системи (ГІС). Використання просторової інформації сприяє виявленню на якісному рівні впливу факторів, які є визначальними в процесі активізації зсувів і як наслідок – стійкості схилів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Київського національного університету (КНУ) імені Тараса Шевченка відповідно до держбюджетних тем “Розробка системи моніторингу та методичних засад комплексної оцінки стану геологічного середовища для створення моделей функціонування природно-техногенних систем” (ДР0105U001528), “Розробка новітніх технологій гідрогеологічних та інженерно-геологічних досліджень при вирішенні раціонального використання корисних копалин” (ДР0101U002767); господарсько-договірних науково-дослідних робіт по визначенню ступеня стійкості зсувних та зсувонебезпечних ділянок схилів у м. Київ, зокрема ділянки схилу біля Маріїнського палацу, в парку Вічної Слави, пагорбу Андріївської церкви тощо; в рамках гранту програми UFP – спільної підготовки студентів і аспірантів КНУ в галузях найсучасніших геоінформаційних систем та дистанційного зондування Землі згідно з меморандумом про співпрацю між КНУ, Мічіганським інститутом досліджень навколишнього середовища (Altarum/Nansen) та Українським Центром Менеджменту Землі та Ресурсів (УЦМЗР). В зазначених роботах автор була виконавцем або відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є врахування впливу інфільтрації води атмосферних опадів на ступінь стійкості схилів із застосуванням геоінформаційних технологій.

Основні завдання досліджень:

1) створити спеціалізований блок бази даних по дослідженню зсувних ділянок у складі геоінформаційної системи моніторингу геологічного середовища території Київської міської агломерації;

2) розробити основні положення методики адаптації різнопланових даних для районування території правого схилу р. Дніпро з виділенням зсувонебезпечних ділянок, використовуючи просторовий ГІС-аналіз;

3) навести характеристику загальної кількості атмосферних опадів та їх розподіл між стоком, інфільтрацією та випаровуванням на прикладі території правого схилу р. Дніпро;

4) дослідити динаміку вологи схилів, зокрема особливості водного балансу потенційно-нестійкої області території досліджень;

5) розробити основні положення методики врахування впливу інфільтрації води атмосферних опадів на ступінь стійкості схилів залежно від їх форми і геометричних параметрів, геологічної будови, вологості ґрунтів, гідрогеологічного режиму та погодно-кліматичних умов на підставі розрахункової моделі пружно-пластичного середовища;

6) оцінити достовірність запропонованої методики врахування впливу інфільтрації дощової води на підставі аналізу стійкості реальної зсувонебезпечної ділянки схилу правого берега р. Дніпро, зіставити величини коефіцієнтів стійкості, отриманих за допомогою різних моделей розрахункових схем.

Об’єктом досліджень є потенційно-нестійка область схилу з врахуванням впливу інфільтрації води атмосферних опадів на її стан.

Предметом досліджень є процес інфільтрації води атмосферних опадів і змін, що відбуваються при цьому в ґрунтовому масиві.

Методика досліджень. Визначення фізико-механічних характеристик ґрунтів проведено за традиційними методиками згідно з діючими нормативними документами. При дослідженнях теоретичного характеру використані методи та прийоми інженерної геології і механіки ґрунтів, метеорології та гідрології, гідрогеології і теорії фільтрації. Обробка результатів досліджень здійснювалась за допомогою ГІС-технологій з застосуванням оверлейного аналізу та спеціалізованих комп’ютерних програм.

Наукова новизна одержаних результатів:

– вперше розроблено основні положення методики спеціалізованого ГІС-аналізу для районування потенційно-небезпечних зсувних територій за геолого-геоморфологічними особливостями з врахуванням впливу атмосферних опадів та створено інженерно-геологічний блок геоінформаційної бази даних для подальшого моніторингу стану схилів;

– розкрито динаміку інфільтрації води атмосферних опадів для потенційно-нестійкої частини схилу і вплив її на показники ґрунтів та величину активних і реактивних сил, що діють в ґрунтовому масиві з урахуванням водного балансу схилів;

– розроблено основні положення оригінальної методики врахування впливу інфільтрації води атмосферних опадів на стійкість залежно від геологічної будови, вологості ґрунтів, гідрогеологічного режиму, форми і геометричних параметрів схилів на підставі моделі пружно-пластичного середовища (на прикладі ділянки Дніпровського схилу в м. Київ біля Маріїнського палацу).

Практичне значення одержаних результатів. Створено спеціалізований сегмент по дослідженню зсувних ділянок, адаптований для геоінформаційної системи моніторингу геологічного середовища території Київської міської агломерації на основі інтеграції різнопланових просторових даних з паперових носіїв у середовище ГІС.

Розроблено схему кількісної характеристики впливу інфільтрації води атмосферних опадів на міцність і стійкість потенційно-нестійкої області з урахуванням водного балансу схилу, які використовуються в розрахунковій моделі стійкості пружно-пластичного середовища. Це дозволяє підвищити точність розрахунків коефіцієнта запасу стійкості схилів.

Окремі блоки розробленої методики впроваджено в навчальну дисципліну “Геоінформаційні системи в геології”, що викладається для магістрів гідрогеологів геологічного факультету, та в науково-дослідний практикум для спеціалістів гідрогеологів.

Особистий внесок здобувача. Автору належить: постановка конкретних завдань та обробка отриманих результатів; створення спеціалізованого сегменту ГІС по дослідженню зсувних ділянок; дослідження процесу інфільтрації води атмосферних опадів в межах потенційно-нестійкої області схилу; вдосконалення методики врахування інфільтрації води атмосферних опадів на стійкість схилів на основі моделі пружно-пластичного середовища; комп’ютерна обробка даних.

Основні теоретичні положення та методичні результати, наведені в дисертаційній роботі, отримані здобувачем особисто та достатньою мірою висвітлені в наукових (в т.ч. фахових) виданнях.

Апробація дисертації. Основні результати досліджень доповідались на:

§ Міжнародній науково-технічній конференції “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку” (Київ, 1998);

§ ІІІ – ІV Міжнародних наукових конференціях “Геофізичній моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2002, 2003);

§ 60-й ювілейній науковій конференції Національного транспортного університету (Київ, 2004);

§ 61-й науковій конференції Національного транспортного університету (Київ, 2005).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 19 наукових праць, в тому числі 15 статей (п’ять – у фахових виданнях, із них три – одноосібні) та чотири тези доповідей. Результати роботи пройшли апробацію на чотирьох міжнародних та всеукраїнських конференціях.

Особистий внесок здобувача у основні роботи, виконані у співавторстві, визначається так. В роботах [6-8, 19] автор брав безпосередню участь в постановці задачі та аналізі результатів досліджень. В працях [13, 15-17] дисертант узагальнив отримані дані та підготував висновки.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, викладених на 140 сторінках основного тексту; додатків на 28 сторінках, списку використаних науково-технічних джерел з 185 найменувань на 13 сторінках, а також 44 рисунків та 5 таблиць. Довідка про впровадження результатів розробок додається.

Автор висловлює подяку науковому керівнику доц. О.Є. Кошлякову за методичну допомогу і консультації, колективу кафедри гідрогеології та інженерної геології КНУ імені Тараса Шевченка, ГІС-консультанту О.О. Іщуку та співробітникам УЦМЗР за постійну увагу і допомогу в постановці досліджень та обговоренні їх результатів.

зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність і доцільність виконання даної роботи, сформульована мета досліджень та поставлені відповідні задачі для досягнення цієї мети, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про публікації та апробацію дисертації.

У першому розділі представлено огляд сучасного стану проблеми вивченості впливу води атмосферних опадів на стійкість схилів. Розглянуто використання просторової інформації, яка дає можливість прогнозувати розвиток небезпечних ситуацій з метою своєчасного попередження їх впливу, а також зіставлення на якісному рівні впливу факторів, що є визначальними в процесі активізації зсувів і як наслідок – стійкості схилів. На підставі цього визначені передумови досліджень. При цьому розглянуто праці вітчизняних (В.В. Аристовського, А.І. Білеуша, І.П. Бойка, М.І. Горбунова-Посадова, А.М. Дранникова, М.Г. Демчишина, П.Л. Іванова, В.Ф. Краєва, О.Є. Кошлякова, А.Є. Кулінковича, Г.І. Рудька, М.А. Якимчука, П.І. Яковлєва) та зарубіжних дослідників (Я. Бера, Д. Тейлора, К. Терцагі).

При аналізі причин деформування і руйнування укосів ґрунтових споруд різного призначення (транспортних, гідротехнічних, комунального господарства тощо), причин зсувних зміщень природних схилів, схилів відкритих гірничих виробок, а також в багатьох інших сферах господарської діяльності, що стосується будівництва споруд із ґрунтових матеріалів, неодноразово відзначалось, що ці явища відбуваються або в період інтенсивного випадання дощів або безпосередньо після дощового періоду (чи періоду інтенсивного і тривалого танення снігу). На цю обставину в свій час звертали особливу увагу такі дослідники, як Ф.П. Саваренський, О.О. Гельфер, В.В. Аристовський, А.М. Дранніков, Є.П. Ємельянова, В.Д. Ломтадзе, М.М. Маслов, Р.Р. Чугаєв, Г.М. Шахунянц та ін.

Під впливом води атмосферних опадів в ґрунтовому масиві відбуваються зміни реактивних та активних сил та міцносних показників ґрунтів, що нерідко призводять до втрати його стійкості. Проте поки не тільки відсутній єдиний науково обґрунтований і нормативно закріплений підхід до врахування впливу цієї води на стійкість ґрунтових масивів, а, як правило, цей фактор взагалі не розглядається.

Використовуючи сучасні геоінформаційні технології з’являється можливість оптимізації введення, зберігання, доступу та проведення оперативного аналізу, з метою отримання оновленої інформації у вигляді тематичних шарів, локалізації місць розвитку зсувних процесів, визначення як окремих негативних факторів, так і їх сполучення, районування території за ступенем зсувонебезпечності тощо.

Другий розділ присвячено методологічному забезпеченню проведення досліджень, в тому числі створенню інженерно-геологічного блока макета ГІС Київської міської агломерації (як основи для просторового аналізу), формулюванню загальних положень методики вивчення процесу інфільтрації води атмосферних опадів (з точки зору впливу його на стійкість потенційно-нестійкої області схилу).

Геоінформаційні технології були використані для районування схилів за ступенем зсувонебезпечності при створенні моделі зсувонебезпечної частини правого берега р. Дніпро в м. Київ на базі існуючих розрізнених картографічних даних.

Загальна методика застосування ГІС-технологій для районування досліджуваної території включала такі етапи робіт.*

Підбір і систематизація даних по території досліджень.*

Підготовка вихідних даних – сканування, прив'язка просторових даних до єдиної координатної системи й оцифровка.*

Побудова цифрових і растрових моделей тематичних шарів картографічної моделі.*

Ранжування та класифікація тематичних шарів моделі.*

Побудова та класифікація результуючої карти.

Після підбору і систематизації вихідних даних були проведені сканування наявних твердих (паперових) копій карт різного масштабу, прив'язка й оцифровка таких шарів: ізоліній рельєфу, геологічної будови, гідрогеологічних умов та ін. Оцифровка карт була необхідною для переведення в цифровий (векторний) вигляд відповідних даних.

Для просторового моделювання було створено інженерно-геологічний блок геоінформаційної бази даних (ГБД), до складу якого входили такі шари: глибина залягання ґрунтових вод; кут нахилу поверхні рельєфу; діапазон абсолютних відміток схилу, на яких можливий розвиток зсувних процесів; геологічна будова території ділянки досліджень; віддаленість від будівель; рослинний покрив; атмосферні опади.

При створенні концептуальної моделі автором були розглянуті фактори природного і техногенного характеру та запропонована методика адаптації векторних даних для просторового аналізу в ГІС. Для кожного фактора були побудовані растрові поверхні кожного шару просторової моделі (шляхом організації просторових запитів до моно карт зі створеного блока ГБД). На підставі отриманих растрових поверхонь були створені, ранжовані і відкласифіковані поверхні розподілу таких факторів: рельєф, геологічна будова території, гідрогеологічні умови, віддаленість від штучних об’єктів (будівель), розподіл атмосферних опадів з подальшим призначенням вагових коефіцієнтів для кожного з чинників. Концептуальна модель була реалізована за допомогою системи організації просторових запитів до поверхонь – сумісний вплив факторів залежно від кількісного сполучення їх рангів. При її реалізації була використана “алгебра карт” з допомогою інструмента Raster Calculator з модуля Spatіal Analyst шляхом арифметичних дій з растровими поверхнями кожного з факторів. В результаті моделювання була створена карта районування території за ступенем зсувної небезпеки. Зокрема, було встановлено, що з врахуванням впливу води атмосферних опадів, відсоток збігу результатів моделювання і даних натурних спостережень зріс з 76 до 92%. Це свідчить про те, що, по-перше, води атмосферних опадів суттєво впливають на розвиток зсувних процесів у ґрунтових масивах. По-друге, детальне врахування впливу води атмосферних опадів дозволяє підвищити точність розрахунків коефіцієнта стійкості схилів.

Основою програми вивчення процесу інфільтрації стали: узагальнення й аналіз літературних, науково-технічних та фондових матеріалів з питань, що розглядаються; інженерно-геологічна зйомка і картування геологічних процесів і явищ, які обумовлені атмосферними опадами; лабораторні випробування тих типів ґрунтів, що зазнають впливу води цих опадів, із застосуванням сучасних методів обробки; камеральна обробка; теоретичні дослідження.

Визначення фізико-механічних характеристик ґрунтів проведено за традиційними методиками згідно з діючими нормативними документами. При цьому також широко використовувалися і аналітичні рішення на підставі загальних закономірностей теорій пружності, пластичності і граничної рівноваги. Необхідні параметри (наприклад, динаміка зміни вологості в просторі і часі в межах потенційно-нестійкої області ґрунтового масиву, показники міцності ґрунтів тощо) були визначені за результатами натурних вимірювань та моделювання. Постановка досліджень та обробка їх результатів здійснювались за допомогою математичних методів планування експерименту із застосуванням комп’ютерних технологій.

Однією із складових методики дослідження процесів і явищ, що відбуваються в ґрунтових масивах, є визначення і класифікація схилових процесів за ознаками, які мають значення для їх вивчення контролю і стабілізації. В зв’язку з цим спочатку були класифіковані основні фактори, які впливають на ступінь стійкості ґрунтових масивів (природного і техногенного характеру), основні форми впливу води на їх стан (поверхневі і підземні води), а також проаналізовані основні причини і фактори, від яких залежить опір ґрунтів зсуву (геологічні, фізичні, геометричні, механічні).

Всебічний аналіз науково-технічних літературних даних і фондових матеріалів інженерно-геологічних вишукувань дозволили автору зробити висновок, що основою для проведення запланованих досліджень можуть бути результати багаторічних спостережень і вивчення стану деяких зсувних та зсувонебезпечних ділянок Київського плато в межах правого берега долини р. Дніпро.

У третьому розділі розглянуто види атмосферних опадів і насамперед види дощів (обложні, мрячні і змішані) та їх основні характеристики, а також розподіл загальної кількості опадів між стоком, інфільтрацією та випаровуванням, які є складовими водного балансу.

В м. Київ спостерігаються всі види опадів. Кількість їх тут в середньому становить 610 мм на рік. Велике місто сприяє збільшенню кількості опадів. Помітно менше опадів випадає в приміській зоні (наприклад, в Борисполі – приблизно 495 мм). Пояснюється це більшою кількістю активних ядер конденсації над містом, підвищеним термодинамічним обміном та дещо зниженим рівнем конденсації.

Опади, які випадають із хмар на поверхню землі, являють собою краплинно-рідинну та замерзлу вологу, продукти конденсації і сублімації водяного пару, а також коагуляції крапель в хмарах. Падають вони звичайно з хмар шарово-дощових і купчасто-дощових форм у рідкому вигляді (дощ, злива, мряка), твердому (сніг, зливний сніг, град, крупа і снігові зерна) або змішаному (дощ зі снігом, мокрий сніг і зливовий мокрий сніг).

Рідкі опади відразу після випадання їх на схил вступають у водно-балансовий процес ґрунтового масиву. На формування водного балансу впливає не тільки загальна кількість дощу, а і його інтенсивність, розподіл в часі та по території. Тверді опади утворюють сніговий покрив, який відносно тривалий час зберігається на поверхні схилів чи укосів та бере безпосередню участь у формуванні водного балансу ґрунтового масиву під час сніготанення. Визначальними факторами при цьому є температурний режим повітря, від якого залежить інтенсивність сніготанення, наявність льодової кірки, глибини промерзання і відтанення ґрунту.

За характером випадання рясні опади в м. Київ можуть бути розподілені приблизно так: зливові (35%), обложні (30%), змішані (35%). Під впливом цього виду опадів на поверхні схилів і укосів (поряд з іншими деформаціями ґрунтових мас) інтенсивно розвиваються ерозійні процеси, втрачається міцність поверхневих шарів ґрунту, порушується локальні стійкість ґрунтового масиву на окремих ділянках тощо.

В метеорології вважається, що однією з найголовніших характеристик опадів є їх тривалість. Особливо важливого значення набуває ця характеристика при аналізі ступеня стійкості зсувних і зсувонебезпечних територій. Саме особливої активізації гравітаційні процеси зазнають за умов підвищеної природної зволоженості, випадання затяжних дощів і злив, танення снігів.

Впродовж року опади розподіляються дуже нерівномірно. Сума опадів в середньому, які випали взимку, становить всього 19% річної кількості, навесні і восени – 23%, влітку – 35%. Найбільша кількість опадів припадає на літо (212 мм), а найменша – на зиму (118 мм). Взимку найчастіше спостерігаються обложні опади (75%); зливові опади в цей період сягають 7%, а на опади змішаного характеру припадає 18%.

Аналіз результатів багаторічних спостережень за станом Дніпровських схилів Київського плато та схилів Карпатського регіону показує, що сумарна кількість опадів за рік ще не визначає причину виникнення зсувних процесів навіть тоді, коли опади перевищують річну норму. Більш важливим є співвідношення розподілу згаданих величин протягом одного сезону або декількох. Відомо, що максимальна кількість опадів випадає в теплий період року, зокрема влітку. Проте значна їх частина йде на випаровування. Тому такі опади є менш небезпечними для розвитку зсувних процесів та утворення зсувів порівняно з опадами, що випали в холодний період року (наприклад, починаючи з другої половини осені), хоча останні були і меншої кількості та йшли з меншою інтенсивністю. Встановлено, що найбільш небезпечними є зимові та весняні опади. В цьому випадку дощові та талі води майже повністю йдуть на інфільтрацію і тільки незначна кількість – на стік та випаровування.

Рослинність в цілому відіграє надзвичайно велику водорегулюючу та ґрунтозахисну роль на схилах. Вона створює сприятливі умови для накопичення та акумуляції вологи, регулює поверхневий стік, захищає схили від водної і вітрової ерозії, запобігає втраті приповерхневими шарами ґрунту локальної міцності і місцевої стійкості, а також розвитку зсувних процесів у масиві.

Характеристикою, яка узагальнює динаміку вологи ґрунтових мас схилів, є баланс вологи. В загальному випадку водний баланс будь-якої ділянки земної території, зокрема схилу або укосу, відповідає закону збереження та перетворення матерії стосовно процесу вологообміну цієї ділянки території з атмосферою. За певний розрахунковий інтервал часу водний баланс кількісно виражається рівнянням алгебраїчної суми приходно-витратних та результуючих елементів.

Інтерпретуючи відомий підхід В.С. Мезенцева (1982 р.) формування водного балансу будь-якої ділянки схилу між розрізами І-І і ІІ-ІІ в межах зони аерації глибиною до рівня підземних вод з урахуванням теплового балансу представлено на рис. 1.

Рис. 1. Схема формування водного балансу на ділянці схилу

Ро – атмосферні опади; Кв – конденсація водяних парів повітря (роса, іній, мряка, внутрішня ґрунтова конденсація); Е – сумарне випаровування; Q1 i Q2 – відповідно приплив і стік поверхневих вод; М1 і М2 – приплив і стік ґрунтової вологи в розрахунковому шарі hp; S1 i S2 – приплив і стік ґрунтових вод у шарі ґрунту капілярного підняття hk; G1 i G2 – приплив і стік ґрунтових вод; W1 і W2 – запаси вологи в розрахунковому шарі ґрунту hp на початок і кінець розрахункового часу; W’ і W” – запаси вологи в шарі ґрунту капілярного підняття потужністю hK = l-hP; U1 і U2 – вологообмін між шарами hp і hk; D1 і D2 – вологообмін між ґрунтовим шаром зони аерації і шаром насичення ґрунтовою водою; А1 і А2 – вологообмін між ґрунтом і атмосферою на рівні денної поверхні.

У відповідності до гідрогеологічних законів збереження матерії для будь-якої довільно обраної ділянки схилу вологообмін можна представити (за Н.Г.Галущенком, 1987) елементарною математичною моделлю у вигляді рівняння водного балансу

±ДS = P0 – Q – E,

де P0, Q, E – відповідно опади, стік і сумарне випаровування; ДS – зміна вологи в ґрунтовому масиві схилу (укосу).

При цьому позитивна величина ДS відповідає накопиченню вологи в ґрунтовому масиві, що досліджується, а від'ємна – зменшенню.

Згідно з цією залежністю були складені рівняння водного балансу ділянки схилу для всієї ґрунтової товщі водообміну з урахуванням факторів, що їх викликають, починаючи від денної поверхні землі до водоупору.

Досвід використання результатів спостережень за атмосферними опадами інших дослідників показав, що внаслідок дуже великої зміни їх кількості з року в рік важливо знати не тільки середні величини опадів та їх максимальне значення, а й суми опадів різної вірогідності в межах конкретної ділянки території впродовж окремих років. Тому для розкриття сутності впливу атмосферних опадів на ступінь стійкості схилів і укосів автором вперше було використано наявні результати десятирічних спостережень на одній із зсувних ділянок Дніпровського схилу в Києві. Атмосферні опади є практично єдиним природним джерелом надходження вологи на схилах, що зумовлює формування водного балансу в ґрунтовому масиві як в цілому, так і в окремих його складових. Тому достовірність водно-балансових розрахунків значною мірою визначається вимірами та розрахунками середньої кількості опадів.

Результати аналізу багаторічних спостережень за кривими балансу вологи, що наведені в роботі, дозволили автору простежити зв’язок динаміки вологості гірських порід з виникненням зсувних процесів і застосувати в подальшому цей метод для прогнозу переміщення ґрунтових мас на схилах.

Аналіз балансових кривих як за кожен рік, так і за сезонами, став підставою для висновку, що позитивні криві балансу вологи, які мають значення до 550 мм і тенденцію до збільшення з глибиною, визначають найбільшу вірогідність виникнення зсувів ґрунтових мас. Чергування позитивних кривих балансу з від’ємними характеризує умови, які заважають виникненню зсувів ґрунтових мас (навіть тоді, коли кількість опадів вище за норму).

В цілому викладене дозволило зробити висновок, що водно-балансові розрахунки ґрунтового середовища схилів повинні передувати аналізу ступеня стійкості.

У четвертому розділі наведено результати досліджень впливу вологості на властивості ґрунтів і характер її розподілу в межах зсувного тіла, а також впливу інфільтрації води атмосферних опадів на величини активних і реактивних сил, що діють в межах потенційно-нестійкої області однієї з ділянок Дніпровського схилу.

Практика стабілізації зсувних процесів показує, що для визначення впливу вологості ґрунтів на стійкість схилів потрібно вивчити її зміни в зоні аерації. В зв’язку з цим автором досліджено динаміку вологості як у межах потенційно-нестійкої області за сезонами, так і характер розподілу її за окремим елементами зсувного тіла, тобто на бровці (плато), зсувній терасі, зсувороздільному мисі, в тілі зсуву і язиці зсуву. Ці дослідження в роботі висвітлені на підставі розгляду і аналізу відповідно до сезонів року впродовж десятирічного періоду результатів визначення вологості в межах однієї з зсувних ділянок Дніпровського схилу. Встановлено, зокрема, що вологість ґрунтів збільшується від бровки (плато) до язика зсуву. Вологість ґрунтів у тілі й язиці зсуву вже з 1-2 м характеризується максимальними величинами: в тілі зсуву – 24-32%, в язиці – 30-34%.

Кількісним змінам напруженого стану в умовах виникнення граничної рівноваги схилів сприяють збільшення постійного та тривалого навантаження на можливу поверхню ковзання потенційно-нестійкої області ґрунтового масиву від ваги талої і дощової та води з інших джерел, а також граду, снігу тощо. В загальному випадку (рис. 2) в момент граничної рівноваги зсувне тіло в однорідному ґрунтовому масиві (на підставі урахування його напружено-деформованого стану) можна представити із трьох областей: І область активного граничного стану; ІІ область перехідного стану; ІІІ область пасивного граничного стану. Залежно від випадання різних за інтенсивністю і тривалістю дощів, а також від розподілу вологи по вертикальному розрізу схилу може утворюватися і рухатися зверху вниз один або декілька шарів капілярного чи гравітаційного зволоження. Крім того, на бровці схилу може з’явитися тріщина розриву, що призведе до суттєвого зменшення реактивних сил опору зсуву. Разом з цим буде різним і ступінь зволоження ґрунту дощовою або талою водою.

Рис. 2. Схема процесу інфільтрації води атмосферних опадів та її впливу на величини активних і реактивних сил у межах потенційно-нестійкої області схилу

При періодичності дощів різного об’єму і тривалості (з інтенсивністю випадання, яка перевищує інтенсивність просочування і здатність поверхні схилу затримувати певну кількість вологи), може утворитися шар підвішеної (не з’єднаної гідравлічно з ґрунтовою водою) води, шар опускаючої води і, нарешті, шари, які опускаються вниз з різними або однаковими швидкостями. Потужність і розподіл цих шарів є функцією геологічної будови, властивостей ґрунту, його вологості на початку процесу, періодичності, інтенсивності та об’єму окремих дощів, а також випаровування. Характер розподілу згаданих шарів суттєво впливає на стійкість схилів.

У всякому разі додаткова вага води (більша чи менша залежно від швидкості інфільтрації і тривалості та інтенсивності дощу) повністю передається на потенційну поверхню ковзання ABCD і здатна змінити співвідношення між активними та реактивними силами, що діють в межах потенційно-нестійкої частини масиву.

Реактивні (утримуючі) сили змінюються внаслідок зміни загальної величини сил тертя, які розвиваються на різних ділянках потенційної поверхні ковзання і, що особливо важливо, відбувається зниження (або навіть повного зникнення) зчеплення на змочених ділянках Aa1 i Dd1. Згадане збільшення об'ємної ваги ґрунту може підвищити або зменшити ступінь стійкості схилу. Якісно це явище можна представити так: будь-яке збільшення навантаження на область активного граничного стану (в нашому випадку приріст ОАаво) призведе до зменшення, а збільшення навантаження в області пасивного граничного стану (в межах шару OоdDO) буде сприяти підвищенню стійкості схилу.

Потенційно-нестійка область (призма ковзання) розбивається вертикальними площинами на блоки (або фрагменти) залежно від геологічної будови в межах основи такого блока, форми потенційної поверхні ковзання і схилу. В загальному випадку в межах окремого блока чи призми ковзання в цілому діють об'ємні та поверхневі сили. Об'ємні сили будуть представлені гравітаційними, що зумовлені вагою ґрунту, фільтраційними та сейсмічними. Поверхневі сили – це сили тертя і зчеплення, які будуть розвиватись вздовж потенційної поверхні ковзання.

При проведенні досліджень впливу вод атмосферних опадів на стійкість схилів була використана розрахункова схема стійкості моделі пружно-пластичного середовища. Згідно з цією моделлю об'ємні сили (напруження), які діють в межах будь-якого зсувного тіла або його фрагмента, прийнято представляти у вигляді як вертикальних Gz(уz), так і горизонтальних Gx(уx) складових сил (напружень).

Вертикальна складова об'ємних сил, як правило, являє собою власну вагу ґрунту в межах області, що розглядається (для окремого фрагмента Gzі чи для всього зсувного тіла Gzі). Визначення величин Gzі не викликають особливих труднощів як для ґрунтів природної вологості і перезволожених, так і для водонасичених. Саме ця складова головним чином задіяна при аналізі стійкості в способах моделі затверділого відсіку обвалення (жорстко-пластичного тіла).

Для визначення величини горизонтальної складової зусиль Gxі для певного блока та Gxі для зсувного тіла в цілому потрібно встановити величину горизонтальних напружень уx області масиву, яка розглядається (блок, зсувне тіло). Величина напружень буде відома тоді, коли будуть відомі напруження в будь-якій точці ґрунтового масиву. З цією метою можуть бути використані залежності і прийоми, що застосовуються в розрахунковій практиці.

На рис. 3 проілюстровано визначення Gzі та Gxі графоаналітичним шляхом на прикладі одного фрагмента низхідної ділянки aemna потенційної поверхні ковзання за таких умов. В тілі й основі схилу (укосу) з однорідного глинистого ґрунту, що при природній вологості щ характеризується щільністю с, кутом внутрішнього тертя ц та питомим зчепленням с, в результаті тривалих дощів або сніготанення утворилось три приповерхневих шари з різними показниками вологості, щільності, кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення. При цьому між названими показниками ґрунту в шарах склалися такі співвідношення: І) щ1>щ2; с1>с2; ц1<ц2; с1<с2 і с1>0; ІІ) щ3>щ2; с2>с3; ц2<ц3; с2<с3; ІІІ) щ3>щ; с3>с; ц3<ц; с3<с.

Рис. 3. Розрахункова схема визначення складових об'ємних горизонтальних сил на прикладі фрагментів на низхідній ділянці поверхні ковзання

З метою спрощення розрахункової схеми стійкості тут не враховано сили пружності Ru. Зауважимо, що вони відносяться до реактивних зусиль, а отже, їх не врахування йде в запас “стійкості”.

Порівнюючи величини Gzi i Gxi, що визначені для умов ґрунту природної вологості (суцільна лінія), з аналогічними значеннями Gzi і Gxi, які визначені з урахуванням інфільтрації дощової і талої води (пунктир на рис. 3), ми бачимо, що перші за величиною менші за других. Особливо варто підкреслити, що суттєва різниця існує саме між горизонтальними складовими зусиль Gxi, які є визначальною складовою активного силового фактора.

Запропонована автором розрахункова схема стійкості моделі пружно-пластичного середовища (для вирішення плоскої задачі) дала можливість враховувати різноманітність факторів (в тому числі й атмосферних опадів), що прямо чи побічно впливають на стійкість схилів.

Використані науково-методичні розробки з врахуванням впливу дощової чи талої води на ступінь стійкості схилів проілюстровані відповідним чином у роботі на реальному об’єкті (одна із зсувонебезпечних ділянок схилу біля Маріїнського палацу в Києві) з метою їх подальшого застосування в розрахунковій практиці. В табл. 1 наведені результати обчислення величини коефіцієнта стійкості кs на підставі різних моделей розрахункових схем стійкості.

Таблиця 1

Порівняння величини коефіцієнта стійкості кs на підставі різних розрахункових схем

Розрахункова схема стійкості моделі пружно-пластичного середовища | Розрахункова схема К. Терцагі моделі жорстко-пластичного середовища | Розрахункова схема вагового тиску моделі жорстко-пластичного середовища

Для випадку природної вологості приповерхневих шарів ґрунту

1,21 | 1,57 | 1,71

Для випадку врахування інфільтрації атмосферних опадів на глибину 1,5 м

1,03 | 1,51 | 1,64

Отриманий результат з використанням розрахункової схеми стійкості моделі пружно-пластичного середовища точно відображає динаміку ступеня стійкості ділянки схилу, що розглядається. Підставою для такого ствердження є насамперед наявність тріщини на гребені схилу та коливання значення кs залежно від врахування величини інфільтрації талої і дощової води.

В додатках представлена характеристика досліджуваної зсувонебезпечної ділянки схилу, вихідні дані та результати розрахунку ступеня її стійкості запропонованою та існуючими методиками. Наведені техніко-економічні показники використання результатів дослідження при розробці заходів щодо стабілізації зсувонебезпечних ділянок Дніпровських схилів.

висновки

1. Вперше створено геоінформаційний блок бази даних, який включає інформацію про геологічну будову, гідрогеологічні умови та розподіл атмосферних опадів (на прикладі правого берега р. Дніпро в м. Київ). Ця база дозволяє накопичувати, зберігати та обробляти різнорідну інформацію інженерно-геологічного, гідрогеологічного та екологічного характеру для подальшого моніторингу небезпечних зсувних процесів на території Київської міської агломерації.

2. Розроблено оригінальну методику аналізу різнопланових даних та адаптації їх в середовищі ГІС з врахуванням мультиплікативного впливу факторів (в тому числі і атмосферних опадів) на стійкість схилів з наступною візуалізацією отриманих результатів у вигляді прогнозних електронних карт районування території за ступенем зсувонебезпечності. Зокрема, встановлено, що з врахуванням впливу інфільтрації води атмосферних опадів відсоток збігу результатів прогнозного моделювання і даних натурних спостережень зріс з 76 до 92%.

3. На підставі аналізу результатів багаторічних спостережень за кількістю і розподілом атмосферних опадів вперше встановлено, що:

- сумарна кількість опадів за рік ще не є причиною зсувних процесів;

- більш важливим є розподіл складових балансу протягом сезонів;

- несприятливими для розвитку зсувів є опади, які випали в холодний період року (починаючи з другої половини осені).

Водно-балансові розрахунки ґрунтового середовища схилів повинні передувати аналізу ступеня стійкості схилів і укосів.

4. Досліджено зміни вологості ґрунтів в межах зсувного тіла. Встановлено, що вологість збільшується від бровки (плато) до язика зсуву. В тілі й язиці зсуву вже з 1-2 м вологість характеризується максимальними значеннями; в тілі зсуву – 24-32%, в язиці – 30-34%.

5. Розроблено основні положення оригінальної методики врахування впливу дощової (талої) води на стан ґрунтових масивів, в якій однією з основних складових є використання розрахункової схеми стійкості моделі пружно-пластичного середовища. Згідно з цією моделлю в межах потенційно-нестійкої області схилу реалізується пружно-пластичний механізм, що визначається ковзанням по деяких фіксованих поверхнях однієї пружної частини масиву по іншій. В цьому випадку кількісно описуються зміни властивостей ґрунту і співвідношення між утримуючими і зсувними зусиллями в приповерхневих шарах схилу внаслідок інфільтрації води атмосферних опадів на підставі теорії про об'ємне деформування потенційно-нестійкої області.

6. Проведено зіставлення і кількісний аналіз величин коефіцієнтів стійкості кs зсувонебезпечної ділянки Дніпровського схилу за різними розрахунковими схемами: 1) моделі пружно-пластичного середовища; 2) моделі затверділого відсіку обвалення. Використання першої схеми дає результат, який відображає передаварійний стан схилу (кs=1,03 з врахуванням впливу інфільтрації води атмосферних опадів на глибину 1,5 м; кs=1,21 для випадку природної вологості приповерхневих шарів ґрунту). Про це також свідчить наявність тріщини на гребені схилу та коливання значення величини кs залежно від врахування величини інфільтрації талої і дощової води.

7. Апробацію методики врахування впливу інфільтрації атмосферної води на стійкість схилів з використанням розрахункової схеми моделі пружно-пластичного середовища було проведено на частині правого берега Дніпровського схилу в м. Київ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кризський М.М., Негода О.П., Ніколішин В.П., Кризська Н.М. Інженерно-геологічні особливості зсувного процесу на Дніпровських схилах біля Маріїнського палацу // Вісн. Київ. ун-ту. Геологія. – 2001. – Вип. 20. – С. 41-47. (Особистий внесок – огляд стану вивченості проблеми стійкості Дніпровських схилів, підготовка інженерно-геологічних даних, аналіз отриманих результатів).

2. Коржнев М.М., Кошляков О.Є., Яковлєв Є.О., Іщук О.О., Придатко В.І., Аксьом О.С., Кризська Н.М., Сіроштан Т.Л. Використання ГІС і ДЗЗ при моделюванні надзвичайних екологічних ситуацій, пов’язаних з геологічним середовищем // Вісн. Київ. ун-ту. Геологія. – 2003. – Вип. 26-27. – С.52-55. (Особистий внесок – дослідження зсувів на схилах Дніпра засобами просторового аналізу ГІС, узагальнення отриманих даних та підготовка висновків).

3. Аксьом Н.М. Фізичні передумови інфільтрації води атмосферних опадів на схилах для їх схематизації та формалізації // Вісн. Київ. ун-ту. Геологія. – 2003. – Вип. 28. – С. 47-49

4. Кризська Н.М. Водний баланс схилів // Геол. журн. – 2004. – №1. – С. 108-113.

5. Аксьом Н.М. Вплив інфільтрації води атмосферних опадів на стійкість схилів // Геол. журн. – 2004. – №2. – С. 101-108.

6. Кризський М. М., Кризська Н.М. Механічні процеси в ґрунтовому масиві при спорудженні насипу і облаштуванні виїмки // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 1999. Вип. 57. – С. 30-37.

7. Кризський М. М., Кризська Н.М. До питання використання граничних схем розрахунку стійкості моделі жорстко пластичного тіла (затверділого відсіку обвалення) // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2000.