Вчений секретар
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЗУСКА АДА ВАСИЛІВНА
УДК 624.131.543:528.02+528.7
ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗСУВНИХ
ПРОЦЕСІВ ПРИРОДНИХ СХИЛІВ НА ОСНОВІ
КІНЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ
Спеціальність: 05.15.09 – “Механіка ґрунтів та гірських порід”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ - 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі маркшейдерії Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Четверик Михайло Сергійович
професор кафедри маркшейдерії Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Садовенко Іван Олександрович,
завідувач кафедри гідрогеології і інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства
освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)
кандидат технічних наук
Голуб Віталій Васильович
науковий співробітник відділу системного аналізу і моделювання процесів природокористування Інституту проблем природокористування і екології НАН України
(м. Дніпропетровськ)
Захист відбудеться “28” вересня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19, тел. (0562) 47-24-11)
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19, тел. (0562) 47-24-11)
Автореферат розісланий “28” серпня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
к.т.н., доцент О.В. Солодянкін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В результаті впливу техногенних факторів відбувається істотна зміна природної геологічної рівноваги земної поверхні, що проявляється в активізації підтоплення і виникненням, з цього приводу, зсувних процесів, що мають розповсюдження на природних схилах балок і ярів значної частини території України. Для регіону Придніпров’я, зокрема міста Дніпропетровська, побудованого на пагорбах-вододілах, cкладених лесовими суглинками, що оголюються на схилах більш ніж в 10 балок і ярів і не мають інженерного захисту, проблема забезпечення їх стійкості має велике соціальне і народногосподарське значення.
Питанням зсувоутворення, що відбуваються як у великих містах, так і при відкритій розробці родовищ, присвячено багато досліджень. Розроблені методи розрахунку стійкості бортів кар'єрів, уступів і природних схилів. Однак, ці методи стосуються розрахунків тільки стосовно розрізів, які виконані в одній або декількох площинах масиву, що зрушується. При цьому не враховують одночасно взаємний вплив таких факторів, як форма і умови залягання порід схилу (геометричні параметри елементів інженерно-геологічної будови схилу), параметри зсувного процесу на різних ділянках його поверхні і кліматичні умови. Раніше розроблені методи прогнозу стійкості схилів не враховують кінематику масиву, який зсувається, що може бути отримано на підставі вивчення параметрів кінематичної моделі зсувного процесу. Тому, визначення і обґрунтування параметрів кінематичної моделі для прогнозу зсувних процесів природних схилів є актуальною науково-технічною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є результатом багаторічних науково-дослідних робіт госпдоговірних тем кафедри геодезії ДГІ, у яких автор брала безпосередню участь: в 1984-1991 р. тема "Дослідження динаміки зсувів на природних схилах у регіоні Дніпропетровська" ДР № 0185U000176-0184U057740, в 1991-1993 р. тема "Дослідження динаміки зсувів на природних схилах у регіоні Дніпропетровська" ДР № 0188U028880, 1996-1999р. тема № 050208 "Спостереження за протизсувними заходами на мікрорайоні "Сокіл-2" з метою дослідження їх ефективності і стійкості зсувного схилу".
Метою роботи є визначення і обґрунтування параметрів зсувних процесів природних схилів на основі кінематичної моделі.
Ідея роботи полягає в розкритті закономірностей розвитку зсувного процесу на основі кінематичної моделі, в якій параметри зсувного процесу і геометричні параметри будови схилу, значення яких неоднакові і нерівномірно розподілені по площі масиву, розглядаються як взаємозалежна кінематична система.
Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі досліджень:
1. На підставі даних натурних інструментальних спостережень, інженерно-геологічної будови схилу і кількості атмосферних опадів виконати геометричний аналіз кінематичних характеристик зміщень і встановити статистичні параметри зсувного процесу.
2. Встановити взаємозв'язок між параметрами зсувного процесу (горизонтальні і вертикальні зміщення, їх швидкість і напрямки, об’єм мас, що зміщуються), геометричними параметрами будови схилу (кути нахилу водотривкого шару, водоносного горизонту, геоморфологія схилу, потужність схилу до покрівлі водотривкого шару, рівень підземних вод) і кількістю атмосферних опадів.
3. Розробити кінематичну модель зсувного процесу на підставі геометричного аналізу параметрів будови і зрушення масиву.
4. Розробити методику прогнозу параметрів зсувного процесу на основі форми і умов залягання лесових порід схилів.
Об'єкт досліджень - зсувні процеси природних схилів балок і ярів, складених лесовими породами.
Предмет досліджень - параметри зсувного процесу, нерівномірно розподілені по площі масиву, що зрушується.
Методи досліджень. Реалізація поставлених задач здійснюється з застосуванням комплексного методу досліджень, що включає аналіз й узагальнення літературних даних в області зсувних процесів, факторів, впливаючих на їх розвиток, а також методів вивчення зсувів, натурні інструментальні спостереження геодезичних мереж на спеціально створених станціях спостереження, аналітичні для обробки та узагальнення результатів натурних інструментальних спостережень, математичної статистики і комп'ютерного геометричного моделювання для встановлення взаємозв'язку між параметрами зсувного процесу і геометричними параметрами будови схилів, прогнозу зсувних зміщень.
Наукові положення, що виносяться на захист:
1. Взаємозв'язок нерівномірно розподілених по площі векторів зміщень точок зсувного масиву, що визначають положення його в просторі і геометричних параметрів інженерно-геологічної будови, представляє кінематичну модель, яка визначає місця інтенсивного розвитку і напрямку руху зсувного процесу, а при зображенні математичними залежностями дозволяє прогнозувати параметри зсувного процесу при очікуваній геометрії схилу.
2. Швидкість зміщень точок, розподілених по площі схилу (кут поверхні ковзання 0,5-4,50) між циклами “весна-осінь” і за періоди в один рік знаходиться від об'єму мас, що зміщуються, в параболічній залежності, а при куті ковзання 5-180 між “весна-осінь” і за рік в лінійній залежності, що дозволяє при розрахунках підвищити ефективність протизсувних заходів для забезпечення стійкості схилів.
Наукова новизна отриманих результатів:
- вперше на основі нерівномірно розподілених по площі векторів зміщень точок зсувного масиву в просторі і геометричних параметрів його будови, розроблена кінематична модель, зображення якої в ізолініях дозволяє визначати місця інтенсивного розвитку і напрямку руху зсуву;
- вперше зроблено районування поверхні схилу за коефіцієнтом кореляції, що дозволяє визначати найбільш небезпечні ділянки;
- вперше встановлений взаємозв'язок між об’ємом мас, які зміщуються, швидкістю зсувів і кількістю атмосферних опадів у часі, що дозволяє уточнювати розрахунки при проектуванні протизсувних споруджень;
- вперше на основі багатофакторного аналізу встановлений взаємозв'язок між зміщеннями точок масиву в просторі і елементами його інженерно-геологічної будови, що дозволило прогнозувати параметри зсувного процесу.
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей розподілу зміщень зсувних точок по площі схилу з врахуванням форм залягання інженерно-геологічних елементів його будови у вигляді динамічних і гіпсометричних планів, рівнянь математичних моделей, і прогнозу на їх підставі параметрів зсувного процесу в просторі і часі.
Практичне значення отриманих результатів досліджень полягає в тім, що вони дають можливість:
- вибирати раціональні схеми станцій спостереження, методику вимірів зміщень і результати їх використовувати для оцінки зсувних процесів;
- на підставі методу геометризації в ізолініях робити прогноз параметрів зсувного процесу в залежності від елементів інженерно-геологічної будови масиву, кількості атмосферних опадів і визначати зсувонебезпечні ділянки;
- визначати зміну об’єму мас протягом часу, що дозволяє визначати ефективність протизсувних заходів;
- прогнозувати параметри зсувних процесів природних схилів на основі кінематичної моделі.
Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи обумовлена коректністю поставлених задач досліджень, використанням загальних положень формування зсувних процесів природних схилів, значним обсягом натурних інструментальних геодезичних спостережень і аналітичних способів досліджень, використанням методів зрівнювання, комп’ютерного моделювання, математичної статистики, задовільним збігом прогнозних і натурних зсувних зміщень (до 20%), адекватністю розроблених математичних залежностей параметрів, позитивним практичним використанням рекомендацій.
Реалізація результатів роботи. На підставі результатів роботи розроблені “Рекомендації з визначенням параметрів зсувних процесів для вибору протизсувних заходів, які забезпечують стійкість схилів балок і уступів кар'єрів”, що використовуються Дніпропетровським міським підприємством інженерного захисту територій міста (ІЗТ).
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета, ідея, задачі досліджень і наукові положення. Розроблений комплексний підхід до дослідження зрушень схилів у Придніпровському регіоні. Проведені з особистою участю автора геодезичні спостереження для встановлення параметрів зсувних процесів схилів, їх математична обробка. На підставі математико-статистичних методів обробки і аналізу інструментальних спостережень виконаний прогноз параметрів зсувних процесів.
Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Геоінформатика, геодезія і маркшейдерія”, м. Донецьк, ДонНТУ, 2003 р.; “Геотехнічні проблеми розробки родовищ”, м. Дніпропетровськ, ІГТМ НАН України ім. Полякова 2003р., 2005 р.; “Форум гірників” м. Дніпропетровськ, НГУ, 2004 р., 2005 р.
Публікації. Основні результати роботи представлені в 6 публікаціях, з них 4 статті – у фахових виданнях, 2 – у збірниках наукових конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновку, списку використаних джерел з 119 найменувань на 10 сторінках і 2 додатків на 2 сторінках. Вона містить 153 сторінок машинописного тексту, 70 рисунків і 21 таблицю. Загальний обсяг роботи становить 166 сторінок.
Автор висловлює подяку кафедрі геодезії за представлену можливість використовувати результати інструментальних спостережень, а також к.т.н., проф. Т. Г. Ніколаєвій і д. т. н., проф. В.О. Назаренку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені дані про структуру роботи, апробацію та рекомендації з використанням розробок.
У першому розділі обґрунтована актуальність досліджень. Виконаний аналіз зсувних процесів на схилах балок, що відповідають геологічній будові і гідрогеологічним умовам Дніпропетровського регіону. Проведений аналіз основних напрямків вивчення стійкості схилів, а також методів їх прогнозу. Розглянуті інструментальні методи вивчення зсувних процесів. У цих напрямках виконані дослідження П.Й. Брайта, М.М. Гольдштейна, В.В. Голуба, О.Г. Григоренка, К.А. Гулакяна, Г.С. Золотарьова, Є.П. Ємельянової, І.Е. Келля, В.В. Кюнтцеля, М.М. Маслова, Й.В. Ніязова, Л.П. Петрової, Г.П. Постоєва, .І. Рогозіна, І.О. Садовенка, Г.І. Тер-Степаняна, Г.Л. Фисенка, П.Й. Федоренка, К.Ш. Шадунца, Г.М. Шахунянца О.І. Шеко та інших.
Розрахунок стійкості схилів балок і уступів кар'єрів, прогноз зсувних процесів з використанням розроблених методів роблять за даними геологічних розрізів, проведених в одній або декількох площинах масиву, що зрушується. При цьому не враховуються одночасно взаємний вплив таких факторів, як геометричні параметри елементів інженерно-геологічної будови масиву, кількість атмосферних опадів в різні періоди року і кінематичні характеристики зсувного процесу на різних ділянках поверхні схилу. Ці взаємозв'язки можуть бути встановлені шляхом використання кінематичної моделі параметрів зсувного процесу, заснованої на геометризації будови масиву. Однак, як показав аналіз, дослідження виконані П.К. Соболевським, П.О. Рижовим, В.О. Букрінським, О.І. Осецьким, В.О. Гордєєвим і ін., відносяться до геометризації геотехнічних умов розробки родовищ, методи геометризації зсувних процесів та прогнози стійкості схилів розроблені на їх основі, відсутні.
На підставі аналізу виконаних робіт в області вивчення зсувних процесів і методів їх геометризаціїї сформульовані мета і задачі досліджень.
В другому розділі наведені характеристика і аналіз зсувних процесів на схилах балок м. Дніпропетровська, уточнена існуюча класифікація зсувів, встановлені фактори, що впливають на їх утворення для вибору місць закладки станцій спостереження. Виходячи з інженерно-геологічної будови зсувних схилів, забудови і геоморфології території створені найбільш раціональні типи схем станцій спостереження і опорних мереж на зсувних ділянках, обґрунтовані методи і методика інструментальних вимірів. За результатами математичної обробки спостережень встановлена точність кутових, лінійних і висотних вимірів, а також положення спостережних пунктів в плані і за висотою. Для встановлення взаємозв'язку між параметрами зсувних процесів та геометричними параметрами будови масиву на схилах балок Євпаторійської і Красноповстанчеської були обрані для спостережень дві зсувних ділянки "Сокіл" і "Сірко". Інструментальні спостереження на ділянці "Сокіл" передбачали встановити процес розвитку зсуву і виконати прогноз області його поширення. На ділянці "Сірко" – виявити на земній поверхні потенційно небезпечні ділянки, де зрушення масиву найбільш ймовірні.
Розташування житлових одноповерхових будинків на схилі ділянки "Сокіл", а у верхній частині на водоподілі житлового багатоповерхового масиву "Сокіл-2" викликали необхідність створення густої мережі опорних пунктів на обох схилах балки Євпаторійська. Схема геодезичної мережі дає досить надійне визначення просторового положення кожного пункту станції з контролем (рис. 1). Особливістю станції спостереження на ділянці "Сокіл" є те, що пункти мікротріангуляції закладені поза зоною впливу зсувних процесів і на протизсувному спорудженні у вигляді підпірної стіни. Це дозволило визначати її стійкість з високою точністю. Беручи до уваги призначення підпірної стіни, крім спостережень за її станом у плані і за висотою, були проведені спеціальні спостереження за її прямовисним положенням.
Дослідження кінематики формування зсувів виконано на основі типізації кінематичних характеристик спостережних пунктів за властивостями зсувних ділянок. При цьому враховувалися форма та умови залягання інженерно-геологічних шарів будови схилу, коефіцієнт забудови зсувної ділянки, наявність водоносних комунікаційних систем і величини зміщень пунктів.
Рис. 1. Схема станції спостереження на ділянці "Сокіл": 1 - пункт мікротріангуляції; 2 - пункт полігонометрії; 3 – ґрунтова марка; 4 - ґрунтовий репер; 5 – вихідний пункт планової мережі; 6 - базисна сторона; 7 - нівелірний хід; 8 – границя можливого розвитку зсуву
З урахуванням наведених вище умов пункти станцій спостереження були розділені на групи. На ділянці "Сокіл" на три групи: перша - пункти полігонометрії, розташовані на забудованій території у верхній частині схилу крутістю = 1,5 - 60 і на підпірній стіні; друга – ґрунтові марки розташовані на схилі ( = 6-90), укріпленому підпірною стіною; третя – ґрунтові марки профільних ліній, розташовані за межею зсуву на природному схилі ( = 8-140).
Пункти станції спостереження на ділянці "Сірко" розділені на дві групи: перша - пункти полігонометрії, розташовані у верхній частині правого схилу Красноповстанчеської балки вздовж вулиць і провулків крутістю 1,5-40; друга - пункти у вигляді ґрунтових марок профільних ліній, які закладені на правому, густо забудованому схилі балки, розташованими вздовж схилу ( =13-150).
Інструментальні виміри проводилися циклами в осінньо-весняні періоди (“весна-осінь”) з 1984 по 1994 рр. і за кожний рік (1996-2001 р.) з врахуванням впливу кількості атмосферних опадів. Точність результатів і вірогідність вимірів досягнута побудовою раціональних схем станцій спостереження, з застосуванням особливої методики вимірів напрямків у тріангуляції і точних оптичних приладів. В результаті зрівнювання геодезичних спостережень, виконаних на обох ділянках були отримані середні квадратичні помилки: виміру кутів у мікротріангуляції m=1,3-2,0", у полігонометрії і геодезичних засічках m=3-4"; визначення планового положення М пунктів мікротріангуляції М 3 мм, полігонометрії – М 15 мм, зсувних марок - М 20 мм. За висотою середні квадратичні помилки для пунктів мікротріангуляції і полігонометрії склали М 2 - 3 мм; ґрунтових марок – М 3 - 5 мм.
У розділі 3 наведені дослідження кінематичних характеристик зсувних процесів на ділянках “Сокіл“ і “Сірко“: горизонтальні і вертикальні зміщення, просторові зміщення, їх швидкість; напрямок і нахил векторів зміщень, об’єм мас, що зміщуються, котрі характеризують динаміку схилу. Просторове положення масиву, що зсувається і геометричні параметри інженерно-геологічної його будови в комплексі представляють кінематичну модель зсувного процесу, що має узагальнений вигляд
, (1)
де – положення зсувного масиву в просторі і часі; – геометричні параметри інженерно-геологічної будови схилу; - параметри зсувного процесу (кінематичні характеристики); - кутові і лінійні показники геометричних параметрів будови схилу: -. кути нахилу водотривкого шару, водоносного горизонту і рельєфу, дирекціоні кути падіння водотривкого шару і водоносного горизонту в і-ій точці; - потужність зсувного масиву до поверхні ковзання, глибина водоносного горизонту, потужність водоносного горизонту, рівень підземних вод, індекс обводнення в і-тій точці; – складові зміщення і-ої точки в просторі, - зміщення точки в плані і повне зміщення; - середня швидкість і прискорення планових і висотних зміщень і-ої точки, i - кут нахилу вектора зміщення до горизонту, - дирекційний кут повного зміщення і-ої точки в просторі.
Обробка параметрів зсувного процесу і показників геометричної будови товщі масиву виконувалася методами геометризації. Геометризація зсувних процесів методом ізоліній дозволила досліджувати величини горизонтальних і вертикальних зміщень, розподіл їх швидкостей, ізопотужностей мас, що зміщуються, і прогнозувати розвиток зсувних процесів. Викладені дослідження зсувів за динамічними і гіпсометричними планами просторових і часових статистичних сукупностей.
В результаті дослідження зміщень встановлені особливості зсувних процесів на обох ділянках, ефективність протизсувних споруджень (підпірна стіна на ділянці “Сокіл“, терасування і дренаж на ділянці “Сірко“), виявлені потенційно небезпечні ділянки схилу. Встановлені величини середніх швидкостей зміщень пунктів на підпірній стіні (максимальна 3,53 мм/міс, мінімальна 1,31 мм/міс) свідчать про те, що поверхня ковзання проходить нижче основи підпірної стіни.
Спеціальними спостереженнями було встановлено, що при переміщенні підпірної стіни в плані і за висотою вона зберігає вертикальне положення, а це значить, що вона є утримуючим спорудженням не жорстким, а податливим. З цього випливає, що при розташуванні протизсувного спорудження у вигляді підпірної стіни над водоносним горизонтом і якщо поверхня ковзання проходить нижче її основи, це призводить до підняття рівня підземних вод і зміщенню ґрунтових мас.
Величина горизонтальних зміщень і швидкість пунктів другої групи на ділянці “Сокіл“ значно перевищують параметри зміщень пунктів першої групи і підпірної стіни. Це вказує на те, що верхня частина зсуву наповзає на нижні шари, що зміщуються; маси порід нагромаджуються в основі стіни, збільшуючи тиск на неї з боку схилу. З використанням планів нахилу векторів зміщень і поверхні ковзання визначена середня величина зниження і підвищення поверхні схилу, область виносу і нагромадження ґрунтових мас. Встановлено, що найбільша середня величина зниження поверхні у верхній і середній частинах схилу (12-42 мм); максимальні нагромадження ґрунтових мас відбуваються в нижній частині схилу і їх потужність складає (51-74 мм).
Побудовані просторово-часові графіки рівних осідань дозволили дослідити деформацію поверхні схилу на ділянці “Сокіл” за весь період спостережень (рис. 2а). Встановлено, що середня швидкість осідання поверхні на ділянці “Сокіл“ за 1985-2001 р. різна в окремих частках схилу. В районі висотної забудови вона склала 1,42-2,08 мм/міс, в середній частині схилу - 2,27-8,14 мм/міс.
На ділянці “Сірко“, на відміну від ділянки “Сокіл“, зсувні зміщення менш інтенсивні, середня швидкість їх, як і самі зміщення з початку моменту спостережень зменшувалась і не перевищувала середньої квадратичної помилки вимірювань. Спостерігається тенденція стабільності зміщень на ділянці схилу, де виконані протизсувні заходи у вигляді терасування і дренажу. За межею укріпленого схилу зміщення продовжуються (рис. 2б).
Рис. 2. Просторово-часові графіки деформації схилу і його цифрові моделі: а - ділянка “Сокіл”; б – ділянка “Сірко” (ізолінії проведені через 1 мм)
Динамічні плани параметрів зсувів в ізолініях відбивають динаміку зсувного процесу в координатах простору і часу. Як слідує з рис. 3, у основі підпірної стіни протягом часу відбувається нагромадження ґрунтових мас, що зсуваються, створюючи небезпеку її стійкості.
Рис. 3. План ізопотужностей і цифрова модель поверхні ізозміщень на ділянці “Сокіл”
(ізолінії проведені через 1 мм)
З аналізу параметрів зсувів на ділянці “Сірко“ слідує, що змін стійкості схилу не відбулося. Вертикальні зміщення спостерігаються тільки в районі ґрунтових марок, розташованих в зоні, де раніше відбувалися зсуви і на брівці схилу за межею укріплення.
В четвертому розділі наведені дослідження взаємозв'язку між параметрами зсувного процесу і геометричними параметрами інженерно-геологічної будови схилів з використанням методів математичної статистики і геометричного моделювання. Статистична обробка результатів інструментальних вимірів дозволила:
- встановити статистичні показники зсувного процесу, будови масиву і закони їх розподілу;
- зробити оцінку і ступінь впливу окремих параметрів інженерно-геологічної будови схилу, в комплексі і кількості атмосферних опадів на параметри масиву, що зрушується;
- зробити районування зсувних схилів на підставі коефіцієнта кореляції між кількістю атмосферних опадів і величини зміщень;
- встановити взаємозв'язок між параметрами зсувного процесу і геометричними параметрами інженерно-геологічної будови схилу.
На підставі побудованих статистичних поверхонь параметрів масиву, що зрушується, і геометричних параметрів будови схилу та гістограм розподілів визначено, яку частку на статистичній поверхні займає ступінь того або іншого показника зазначених вище параметрів і який загальний розподіл цих показників.
У ході досліджень на ділянці ”Сокіл” встановлено, що зміщення тільки незначної кількості пунктів, розташованих на середній і нижній частинах схилу і кількість атмосферних опадів за цикли “весна-осінь” знаходяться в тісній кореляційній залежності (rx,y = 0,66 – 0,86), а між зміщеннями решти пунктів і атмосферними опадами існує слабкий зв'язок (rx,y < 0,54). Для районування зсувних схилів за кліматичними умовами варто застосовувати коефіцієнт кореляції, виражений через вплив атмосферних опадів і величини зсувів (рис. 4).
а б
Рис. 4. Кореляційні плани в ізокорелятах між зміщеннями точок масиву і кількістю атмосферних опадів: а – вертикальні; б - горизонтальні
Встановлено, як це видно з рис.5, що кореляційні поля між швидкістю горизонтальних і вертикальних зміщень пунктів, розташованих по площі верхньої частини схилу (друга група) і кількістю атмосферних опадів за рік, добре описуються параболами другого порядку, що мають вигляд (2).
Рис. 5. Графіки залежності швидкості зміщень пунктів другої групи і кількістю атмосферних опадів на ділянці “Сокіл”
, (2)
де аt – кількість атмосферних опадів за рік.
Аналіз показує, що атмосферні опади впливають на швидкість зміщень пунктів зсувного масиву, коли їх кількість випадає вище норми прийнятої для даного регіону, тоді вони прискорюють розвиток зсувного процесу або, навпаки, затримують (табл. 1).
Таблиця 1
Рівняння залежності швидкості зміщень і кількості атмосферних опадів
Група
п-тів | Тип залежності | Рівняння зв'язку | rx,y | аt мін.
Середня швидкість зміщень і атмосферні опади за цикли “весна-осінь”
2-я | Лінійна | S = 20,588 - 0,0503?аt | 0,711 | 409,3
1-я
2-я | Лінійна
Лінійна | H = 1,0266 - 0,0026?аt
Н = 3,8228 - 0,0094?аt | 0,528
0,557 | 394,8
406,7
Середня швидкість зміщень і сума атмосферних опадів за рік
1-я | Параболічна | S = – 125,5 + 0,5066?аt - 0,0005?аt2 | 0,723 | 506,6
2-я | Параболічна | S= – 137,16 + 0,5876?аt - 0,0006?аt2 | 0,664 | 489,7
3-я | Параболічна | S =– 43,173+ 0,1739?аt + 0,0002?аt2 | 0,865 | 434,8
1-я | Параболічна | Н= - 38,418 + 0,1289?аt - 0,0001?аt2 | 0,680 | 644,5
2-я | Параболічна | Н = 44,397 - 0,1643?аt + 0,0002?аt2 | 0,900 | 410,8
3-я | Лінійна | Н = 2,7773 – 0,0049?аt | 0,907 | 566,8
Встановлено, що швидкість зміщень точок зсувного масиву при куті поверхні ковзання 0,5-180, знаходиться в параболічній залежності від об'єму мас, що зміщуються, за цикли “весна-осінь” і за періоди в один рік (рис. 6).
Рис.6. Графіки залежності швидкості горизонтальних зміщень і об’єму мас масиву, що зміщуються (ділянка “Сокіл”)
За формою полів кореляції складені рівняння регресії. На підставі отриманих рівнянь регресії визначені мінімальні і максимальні величини змін об’єму мас, що зсуваються, і кількість атмосферних опадів, при яких можливо зміщення схилу. Швидкість зміщень точок верхньої частини зсувного масиву (верхній блок) має параболічний зв’язок між об’ємом мас, які зміщуються, за цикли “весна-осінь” і за рік, і лінійний - між об’ємом мас, що зміщуються, нижньої частини (нижній блок) схилу (табл. 2).
Таблиця 2
Рівняння залежності кінематичних характеристик зсуву і кількості
атмосферних опадів
Період спостережень | Тип залежності | Рівняння залежності | Pхчу | ?V, м3
Швидкості зміщення масиву і об’єму мас, що зміщуються
цикл | Лінійна | Весь масив зсуву (?=0,5-180)
= - 0,863 + 0,0016??V |
0,873 |
539,4
рік | Параболічна | = - 8.8028 + 0.0033??V -2?106 ?V2 | 0,960 | 825,0
цикл | Параболічна | Верхній блок (? = 0,5-4,50)
= - 0,4453 + 0,0051??V- 2 10-6??V2 |
0,731 |
1275,0
цикл | Лінійна | Нижній блок (? = 5-180)
= - 1,6965 + 0,0077??V |
0,832 |
220,3
Продовження табл. 2
Період спостережень | Тип залежності | Рівняння залежності | Rх,у | ?Vм3
рік | Параболічна | Верхній блок (? = 0,5-4,50)
= - 0,945+0,0031??V - 5?10-6??V2 |
0,754 |
3100,0
рік | Лінійна | Нижній блок (? = 5-180)
= – 3,2571 + 0,0047??V |
0,976 |
693,0
Об’єму мас, що зміщуються і кількості атмосферних опадів
рік | Параболічна | ?V =- 175072 + 759,53аt – 0,7845аt2 | 0,856 | 484,1
Залежність між об’ємами мас, які зміщуються, і кількістю атмосферних опадів за цикли “весна-осінь” не відзначається. Між об’ємами мас, що зміщуються, і кількістю атмосферних опадів за рік (при мінімальній 484,1 мм) найбільш тісною являється параболічна залежність. Зроблена оцінка взаємозв'язку між швидкістю зміщень і атмосферними опадами, швидкістю і об’ємом мас, що зсуваються. Виконаний прогноз зміни об’єму мас, що зсуваються, у часі.
Встановлений взаємозв’язок між швидкістю зміщень спостережних пунктів і геометричними параметрами інженерно-геологічної будови масиву. Так, швидкість горизонтальних зміщень пунктів першої групи, знаходиться в лінійній залежності від кутів нахилу водотривкого шару (rху= 0,91), рельєфу (rху = 0,82) і дирекційних кутів закладення водотривкого шару (rху= 0,62), а швидкість вертикальних зміщень залежить тільки від кутів нахилу водотривкого шару (rху = 0,86), дирекційних кутів його закладення (rху = 0,59) і в меншій ступені від кутів нахилу водоносного горизонту. Швидкість вертикальних зміщень пунктів другої групи знаходиться в параболічній залежності від глибини водоносного горизонту (rху = 0,85) (рис. 7).
Рис. 7. Залежність швидкості осідань пунктів від кутів нахилу поверхні водотривкого шару і глибини водоносного горизонту
На підставі багатофакторного аналізу визначена математична залежність між динамікою зміщень пунктів, нерівномірно розподілених по площі і геометричними параметрами інженерно-геологічної будови схилу. Для прогнозу очікуваної середньої швидкості горизонтальних і вертикальних зміщень пунктів першої і другої групи з урахуванням кутових і лінійних показників геометрії зсувного схилу розроблені математичні моделі. Очікувані середні швидкості зміщення пунктів першої групи визначаються встановленими залежностями:
, (3)
де і - наведені в формулі (1)
Дослідженнями встановлено, що швидкість горизонтальних зміщень пунктів другої групи залежить від кутових показників геометрії схилу на 23,2%, і на 16,0% від лінійних, а швидкість вертикальних зміщень на 49,4% від кутових і на 71,0% від лінійних показників геометричних параметрів будови схилу.
Адекватність підібраних регресійних моделей оцінювалась за допомогою коефіцієнта детермінації R2, F - статистики (критерій Фішера), t – статистики (коефіцієнт Стьюдента), довірчих інтервалів для оцінок параметрів. Співставлення прогнозних параметрів і натурних показало задовільну збіжність, розкид складає не більше 20%.
На основі встановлених закономірностей і отриманих математичних залежностей розроблені “Рекомендації з визначенням параметрів зсувних процесів для вибору протизсувних заходів, які забезпечують стійкість схилів балок і уступів кар'єрів”, які використані для оцінки стану протизсувних заходів на житлових масивах “Сірко” і “Сокіл”.
ВИСНОВКИ
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей, що розкривають взаємозв'язок між нерівномірно розподіленими по площі зміщеннями масиву в часі, показниками його інженерно-геологічної будови, геоморфології та атмосферних опадів, виконано обґрунтування параметрів кінематичної моделі для прогнозу зсувних процесів природних схилів, що дозволяє проектувати протизсувні заходи і забезпечити стійкість територій.
За дослідженнями отримані наступні наукові і практичні результати:
1. На основі уточненої класифікації зсувів схилів балок м. Дніпропетровська обрано розташування і створення раціональних схем станцій спостережень для
інструментальних вимірів кінематичних характеристик зсувних зміщень.
2. Розроблена кінематична модель у вигляді взаємозв'язку між параметрами зміщень і формою залягання порід масиву, що дозволяє визначати місця і напрямок інтенсивного розвитку зсуву і прогнозувати його появу, виявляти найбільш зсувонебезпечні зони, уточнювати границі деформації схилу, розробляти ефективні протизсувні заходи.
3. Встановлено, що якщо підпірна стіна знаходиться над водоносним горизонтом, а поверхня ковзання зсуву проходить нижче її основи, то вона є утримуючим спорудженням не жорстким, а податливим. Якщо зсувонебезпечний схил укріплений підпірною стіною, то розвиток зсувного процесу може продовжуватися шляхом зміни напрямку руху зсуву.
4. Встановлено, що атмосферні опади по-різному впливають на швидкість зміщень пунктів, розподілених по площі масиву, їх вплив на зміщення залежить від геометричних параметрів будови схилу і при перевищенні кількості середньої норми для регіону.
5. Розроблена методика районування зсувних схилів за кліматичними умовами на основі коефіцієнта кореляції, вираженого через вплив кількості атмосферних опадів і величин зміщень.
6. На підставі кореляційно-регресійного аналізу виявлені параметри геометричної будови схилу, які впливають на швидкість зміщень точок зсувного масиву, розроблені математичні моделі, що відображують залежності між кінематичними характеристиками зміщень, кутовими і лінійними показниками параметрів інженерно-геологічної будови схилу.
7. Встановлена залежність між швидкістю зміщень і об‘ємами мас, які зміщуються, що дозволяє враховувати її при проектуванні більш ефективних протизсувних заходів для забезпечення стійкості схилів.
8. Розроблена методика прогнозу очікуваних параметрів зсувних процесів на підставі форм залягання порід схилу дозволяє з достатньо високою достовірністю виявити зсувонебезпечні місця на природних схилах складених лесовими породами.
9. Результати роботи використані для оцінки стану протизсувних заходів на житлових масивах ”Сірко” (терасування і дренаж схилу) і ”Сокіл” (підпірна стіна).
Список опублікованих робіт здобувача за темою дисертації
1. Зуска А.В. Степень влияния атмосферных осадков на развитие оползневого процесса застроенного склона балки Евпаторийская //Геотехническая механика.- Днепропетровск: ИГТМ.- 2003.- Вып. 47.-С. 295 - 300.
2. Николаева Т.Г., Зуска А.В. Определение и классификация факторов, формирующих динамику оползневых процессов в регионе г. Днепропетровска //Сб. науч. тр. НГУ.- Дніпро-
петровск: НГУ.- 2003.-№17, т. 2.- С.509 – 515.
3. Зуска А.В. Особенности построения наблюдательных станций на оползневых застроенных склонах //Науковий вісник Національного гірничого університету.
- 2004. - № 12. - С. 8 – 11.
4. Зуска А.В. Вплив геометрії параметрів масиву на зсувні процеси в м. Дніпропетровську //Вісник Житомирського державного технологічного університету.- 2006.- №. 1(№36).- С.137-146.
5. Николаева Т. Г., Зуска А. В. Природные и техногенные факторы влияния на образование оползневых процессов в регионе города Днепропетровска //Международная научно-техн. конф. “Геоинформатика, геодезия и маркшейдерия“.- Донецк: ДонНТУ.-2003.-С.105– 110.
6. Зуска А. В. Характеристики параметров смещений оползневых склонов балок на основании геодезических наблюдений //Міжнародна науково-техн. конф. ”Форум гірників-2005”. Дніпропетровськ.- 2005. т.3.- С.190 - 197
Особистий внесок автора в роботах, написаних у співавторстві: [2,5] – формулювання основних задач, аналіз інженерно-геологічних досліджень і метеорологічних даних Дніпропетровського регіону.
АНОТАЦІЯ
Зуска А. В. Обґрунтування параметрів зсувних процесів природних схилів на основі кінематичної моделі. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 – “Механіка ґрунтів та гірських порід”. - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2007.
На основі розробленої кінематичної моделі встановлений взаємозв'язок між зміщеними схилу в часі, нерівномірно розподіленими по площі і показниками його інженерно-геологічної будови, рельєфу і атмосферними опадами шляхом їх геометризації та виконано обґрунтування параметрів зсувних процесів природних схилів стосовно до гідрогеологічних умов м. Дніпропетровська.
Встановлений статистичний взаємозв'язок між параметрами зсувного процесу (горизонтальні зміщення, осідання, їх швидкість і напрямок, об'єм мас, що зміщуються), параметрами інженерно-геологічної будови схилу (кути нахилу поверхні водотривкого шару і водоносного горизонту, потужність зсувного тіла, глибина водоносного горизонту, рівень підземних вод) і кількістю атмосферних опадів. Наведені дослідження зсувних процесів за динамічними планами просторових і часових статистичних сукупностей.
На підставі геометризації і встановленого статистичного взаємозв'язку між параметрами виконаний прогноз зсувів і зроблене районування схилів за зсувонебезпечністю на основі коефіцієнта кореляції, вираженого через вплив кількості атмосферних опадів і величин зміщень.
Ключові слова: зсуви, форма залягання порід схилу, інструментальні виміри зміщень, динамічні плани, кінематичні характеристики зміщень, геометризація, статистичні поверхні, прогноз зсувів, районування схилів
АННОТАЦИЯ
Зуска А. В. Обоснование параметров оползневых процессов естественных склонов на основе кинематической модели. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - “Механика грунтов и горных пород“.- Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2007.
На основе разработанной кинематической модели установлена взаимосвязь между смещениями точек оползневого склона, неравномерно рассредоточенными по площади и показателями инженерно-геологического строения склона, рельефом и количеством атмосферных осадков путем их геометризации и выполнены методические обоснования параметров оползневых процессов природных склонов применительно к гидрогеологическим условиям г. Днепропетровска.
Для инструментальных измерений выбраны и созданы наблюдательные станции “Сокол“ и “Сирко“, методы измерений. С учетом особенностей оползней в данном районе, рельефа и застроенности территории применялись методы полигонометрии, микротриангуляции, угловые засечки. Измерение оползневых смещений проводилось на протяжении 14 лет.
Установлена статистическая взаимосвязь между параметрами оползневого процесса (горизонтальные и вертикальные смещения, их скорость, направление, объем смещающихся масс), гидрогеологическими параметрами строения массива (углы наклона поверхностей водоупорного слоя, водоносного горизонта, дирекционные углы заложения, мощность оползневого тела и водоносного горизонта, глубина водоносного горизонта) и количеством атмосферных осадков. Выполнено районирование склонов по оползнеопасности на основе коэффициента корреляции, выраженного через влияние количества атмосферных осадков и величины смещений.
Приведены исследования оползневых процессов по динамическим планам пространственных и временных статистических совокупностей. Построенные статистические поверхности показателей инженерно-геологических слоев массива позволяют определять величину коэффициента корреляции исходя из градиентов направлений сопоставляемых поверхностей.
Развитие оползневых процессов во времени изучено с использованием статистической динамики. Колебания оползневых смещений связаны с изменением геометрических параметров строения склона и различием метеорологических условий в разные годы. Тенденцию изменений скоростей оползневого процесса с их минимумами и максимумами при действии угловых и линейных показателей геометрического строения склона отражает параболическая форма трендов. Этот характер оползневого процесса происходит при наличии влияющих факторов: подъем уровня грунтовых вод, неравномерное обводнение лессовых пород, выпадение количества атмосферных осадков выше нормы принятой для региона. Они или ускоряют развитие оползневого процесса или наоборот, задерживают.
Приведен расчет объемов смещающихся масс по всему массиву во времени. Показано, что абсолютное ускорение объемов смещающихся масс на протяжении периода меняет свой знак, что свидетельствует об ускорении или замедлении развития процесса. При этом объем смещающихся масс пород равномерно увеличивается за период наблюдений и существует средний абсолютный рост.
На основании применения корреляционно-регрессионного анализа определено влияние каждого фактора на скорость оползневых смещений: прямое, непосредственное и косвенное - через его влияние на другие факторы, а также влияние всех факторов. При многофакторном анализе рассматривалась взаимосвязь между динамикой оползневых пунктов и геометрическими параметрами строения склона, которая представлена математическими моделями. Они взаимно увязывают кинематические характеристики оползневого процесса и показатели геометрических параметров строения склона.
На основании геометризации и установленной статистической взаимосвязи выполнен прогноз параметров оползневого процесса при ожидаемой геометрии склона.
Ключевые слова: оползень, форма залегания пород, инструментальные измерения смещений, кинематические характеристики смещений, динамические планы, геометризация, статистические поверхности, прогнозирование оползней, районирование склонов.
ANNOTATION
Zuska Ada. Substantiation of parameters of landslides of natural slopes on the basis of kinematical model. - Manuscript.
Dissertation on scientific degree of candidate of engineering science on speciality 05.15.09 "The Mechanics of Soils and Mountain Rocks". National Mining University of. The Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2007.
Based on kinematical model, there is a connection between unevenly dispersed on the area dislocations in time and indexes of hydro-geological structure of a slope, relief, the quantity of atmospheric precipitations by their geometrization and basis are maid concerning to the parameters of landslide process of natural slopes that can be used to the hydro-geological conditions of Dnepropetrovsk city. The researches of landslides process by the dynamic plans of spatial and time set statistical totality are given.
There exists statistical correlation between parameters of landslide process (horizontal and vertical displacement, their speed, direction, capacity of displaced weights), hydro-geological parameters of a slope’s structure (corners of surface’s inclinations waterproof layer and horizon of water, the level of underground waters, capacity of moved body, the depth of watered horizon) and atmospheric precipitations. The prognosis of displacements and the running of the slopes, that have subject to creep, are maid.
Keywords: a landslide, the form of seam of the rocks, the geometrical parameters of slope’s constructure, the tool-making measurements of slope, tool-making measurements of landslides, the kinematical characteristic of displacements, geometrization, statistical surfaces, the prognosis of landslide, the running of slopes.
Зуска Ада Василівна
ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗСУВНИХ
ПРОЦЕСІВ ПРИРОДНИХ СХИЛІВ НА ОСНОВІ
КІНЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ
(Автореферат)
Підписано до друку 24.07.07. Формат 30х42/4
Папір офсетний. Ризографія. Ум. друк. арк. 0,9.
Обл.-вид.арк. 0,9. Тираж
