Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Основы теоретического оползневедения 12
1.1 Определение объекта и предмета исследований теоретического оползнееедения 12
1.2 Факторы, определяющие развитие оползневого процесса 16
1.3 Механизмы оползневого процесса 23
1.4 Динамика оползневых процессов 33
1.5 Классификация оползневых процессов 36
1.6 Прогноз оползневой опасности 47
Выводы: 51
ГЛАВА 2 Региональное прогнозирование оползневых процессов 52
2.1 Общие положения 52
2.2 Качественный региональный прогноз оползневой опасности 52
2.3 Количественный прогноз оползневой опасности 54
2.4 Использование ГИС при региональной оценке оползневой опасности 66
2.5 Пример оценки региональной оползневой опасности на основе ГИС для района Ха Лонг - Кам
Выводы: 97
ГЛАВА 3 Локальное прогнозирование оползневых процессов 99
3.2 Методы аналогий 99
3.3 Методы физического моделирования 100
3.4 Методы математического моделирования 107
Выводы: 111
ГЛАВА 4 Общая классификация методов расчета устойчивости склонов 112
4.1 Обоснование базиса классификации 112
4.2 Интуитивные методы 116
4.3 Группа методов, основанных на анализе предельного равновесия 119
4.4 Группа методов, основанных на предельном анализе 129
4.5 Группа вероятностных методов анализа 162
4.6 Группа комбинированных методов с использованием ГИС 164
4.7 Группа геолого-структурных методов 166
Выводы: 174
ГЛАВА 5 3D методы в расчете устойчивости склонов 175
5.1 Трехмерное моделирование при расчете устойчивости склонов 175
5.2 Методы, основанные на теории предельного равновесия 177
5.3 Методы, основанные на механике сплошной среды 181
5.4 Пример 3D анализа устойчивости склона методом предельного равновесия 182
Выводы: 188
ГЛАВА 6 Современные тенденции в расчете устойчивости склонов 189
6.1 Оптимизация поверхности скольжения 189
6.2 Вероятностный анализ и анализ чувствительности 190
6.4 Сейсмическое воздействие 199
6.5 Модели поведения и критерии прочности грунтов 206
Выводы: 222
ГЛАВА 7 Примеры оценки оползневой опасности 224
7.1 Общие положения комплексного подхода при моделировании устойчивости склонов 224
7.2 Влияние оптимизации поверхности скольжения на результаты расчета устойчивости склонов 229
7.3 Вероятностный анализ 234
7.4 Применение анализа чувствительности при расчете устойчивости склонов 238
7.6 Учет влияния сейсмического воздействия на устойчивость склонов 249
7.7 Влияние анизотропии на устойчивость склонов 266
Выводы: 279
Заключение 283
- Факторы, определяющие развитие оползневого процесса
- Количественный прогноз оползневой опасности
- Методы математического моделирования
- Группа методов, основанных на предельном анализе
Введение к работе
Актуальность работы:
Математизация научного знания стала приметой нашего времени. Новая методология научных исследований — вычислительный эксперимент — является общепризнанной. Изучение сложных процессов основано на построении и исследовании современными вычислительными средствами соответствующих математических моделей.
Значительный ущерб, приносимый оползнями, а также разнообразие, сложность и многофакторность оползневого процесса делают задачу его познания современными математическими методами архиважной. Применение того или иного расчетного метода для изучения оползневой опасности определяется поставленной задачей, особенностями изучаемого объекта и возможностями метода. Только владея комплексом методов, можно рассчитывать на успешное решение возникающих задач.
Каковы критерии истинности и предпочтительности тех или иных научно методических подходов? Эти вопросы выходят далеко за рамки узкопрофессиональных знаний, они находятся в сфере методологии — определении путей и способов обеспечения эффективности знания в решении актуальных научных и практических задач [В. Е. Хайн, А. Г. Рябухин, А. А. Неймарк, 2008 г.].
Настоящая диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы: разработке методологии оценки и прогноза оползневой опасности на основе математических методов.
Таким образом, актуальность обусловлена необходимостью совершенствования научно-методологических способов оценки и прогноза региональной и локальной оползневой опасности с учетом применения современных методов количественной оценки, входящих в мировую практику исследований оползневых процессов.
Работа выполнялась автором с 2011 по 2013 год на кафедре инженерной геологии МГРИ-РГГРУ им. Серго Орджоникидзе. Научным консультантом является доктор геолого-минералогических наук, профессор В. В. Пендин.
Цель работы:
Разработка комплексного подхода к оценке и прогнозу оползневой опасности на основе методов математического моделирования.
Основные задачи исследования:
-
Современное определение понятийной базы теоретического оползневедения.
-
Сбор, анализ зарубежного и отечественного опыта прогноза региональной и локальной оползневой опасности на современном этапе развития науки. Модификация классификации методов прогнозирования оползневых процессов.
-
Разработка методики комплексного регионального прогноза оползневой опасности, основанной на сочетании стохастического и детерминистского подходов.
-
Разработка актуальной, соответствующей современным требованиям, классификации методов расчета локальной устойчивости склонов.
-
Обзор существующих трехмерных методов расчета устойчивости склонов. Выполнение трехмерных и двумерных расчетов устойчивости методами предельного равновесия, сравнение полученных результатов, выявление преимуществ и недостатков решения при пространственной постановке задачи.
-
Анализ современных перспективных направлений в расчетах устойчивости склонов, с целью увеличения достоверности прогнозов локальной оползневой опасности.
-
Апробация методики комплексной оценки и прогноза при математическом моделировании устойчивости склонов.
Научная и методическая новизна:
-
Сформулированы теоретические основы прогноза региональной и локальной оползневой опасности.
-
В развитие существующих методик оценки региональной оползневой опасности, обосновано применение комплексного подхода, базирующегося на совместном анализе моделей основанных: на факторах восприимчивости территории к оползневому процессу; геолого-гидрогеологическом (на основе индекса стабильности) и морфометрическом критериях. Показано что:
Анализ модели восприимчивости территории к оползневому процессу позволяет оценить значимость выявленных факторов оползнеобразования, общую оползневую опасность территории, без привязки к конкретному типу оползневого процесса, его механизму и объему проявления.
Модель на основе индекса стабильности позволяет оценить опасность возникновения оползней, формирующихся в элювиально-делювиальных отложениях, на максимальную глубину проявления процесса.
Морфометрическая модель дает возможность прогноза максимальной оползневой опасности для случаев, когда генезис отложений тесно связан с формами рельефа.
-
Предложена общая классификация методов расчета устойчивости склонов, основанная на механико-математическом подходе.
-
В оценке устойчивости склонов обосновано применение трехмерного анализа, базирующегося на методах предельного равновесия.
-
Рассмотрены перспективные направления расчетов устойчивости склонов. Установлено что:
Различие между результатами расчета внутри группы методов предельного равновесия по круглоцилиндрической и оптимизированной поверхностям скольжения более значительны, чем между результатами расчета по оптимизированной поверхности скольжения и моделированием по методу конечных элементов.
Использование в расчетах устойчивости склонов вероятностного анализа, позволяет выполнить оценку оползневой опасности (в терминах вероятности активизации оползневого процесса).
Использование в расчетах устойчивости склонов анализа чувствительности позволяет решить задачу зависимости коэффициента устойчивости от закономерного изменения тех или иных параметров.
При моделировании устойчивости склонов, сложенных анизотропными грунтами, целесообразно рассматривать два типа анизотропии. Первый тип анизотропии связан с природной (литогенетической) анизотропией свойств грунтов, слагающих склон. Второй тип анизотропии обусловлен образованием анизотропных свойств при формировании зон скольжения в виде горизонта максимальных сдвиговых деформаций.
6. Приведены примеры комплексного анализа влияния на активизацию
оползневого процесса факторов оползнеобразования (подземных вод и сейсмического
воздействия).
Прикладная значимость:
Комплексное использование современных методик расчетов позволяет значительно повысить достоверность прогнозов региональной и локальной оползневой опасности, что
подтверждается 6 актами о внедрении на объектах: магистральный газопровод «КС Изобильный — Невинномысск»; нефтепродуктопровод «Комсомольский НПЗ — порт Де-Кастри»; трубопроводная система «Сахалин П»; спортивно-туристический комплекс «Горная Карусель»; ТПУ «Тестовский»; при расчете устойчивости оползнеопасных склонов плотин «Бабана», «Баллутия» и «Кардаха» в САР и т.д.
Основные теоретические и методологические положения работы могут быть использованы в учебных и научно-исследовательских целях.
Методология и методы исследования:
Для оценки и прогноза оползневой опасности автором изучен и обобщен опыт отечественного и зарубежного математического моделирования. В диссертационной работе использован комплексный подход, учитывающий различные факторы развития оползневых процессов и различные подходы к построению математических моделей.
Расчеты оценки и прогноза региональной оползневой опасности производились с помощью современных программных ГИС-пакетов — Global Mapper и ArcGis, а так же специализированных приложений — SPWMAP и SMORPH. Математическое моделирование проводилось посредством расчетов устойчивости склонов с использованием программных комплексов GeoStudio 2007 (GEO-SLOPE International, Ltd.), Slide 6.0 и Phaze2 (Rockscience inc.), SVSlope (SoilVision Systems, Ltd), FLAC/Slope (ITASCA), PLAXIS (PLAXIS BV), LimitState:GEO (LimitState, Ltd) и других.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Комплексная методика регионального прогноза оползневой опасности, основанная на сочетании стохастического и детерминистского подходов, обладает повышенной надежностью получаемых результатов. При проведении стохастического анализа, решаются задачи по определению и оценке значимости комплекса региональных факторов оползнеобразования. На основе детерминистского анализа, решаются задачи количественного прогноза влияния отдельных факторов.
-
Иерархическая структура методов расчета устойчивости склонов основанная на механико-математическом подходе, является вьщержанной с позиций формальной логики классификацией и образует соподчиненную систему непересекающихся таксонов.
-
При переходе от двухмерной модели оползневого процесса к трехмерной, следует учитывать следующие аспекты:
Во-первых, меняется концепция описания формы поверхности скольжения. В трехмерной постановке задачи, зона скольжения моделируется (при допущении об однородности свойств грунтов) в виде сегмента эллипсоидальной поверхности. Круглоцилиндрическая поверхность скольжения при расчете в двухмерной постановке не является ее аналогом.
Во-вторых, при трехмерном моделировании устойчивости склонов методами предельного равновесия неопределенность сил, действующих на границах отсеков, распространяется не в одном, а двух направлениях. Таким образом, получаемые различия между результатами 2D и 3D расчетов частично определяются зависимостью между этими силами.
-
Решение задачи по определению формы критической поверхности скольжения с минимальным коэффициентом устойчивости методами предельного равновесия не может считаться завершенным без выполнения процедуры ее оптимизации.
-
Совместное использование вероятностного анализа и анализа чувствительности позволяет реализовать прогноз оползневой опасности. Вероятностный анализ позволяет выполнить оценку оползневой опасности (в терминах вероятности развития). Анализ чувствительности дает возможность прогнозировать изменение коэффициента устойчивости
склона в зависимости от закономерного изменения одного или нескольких факторов оползнеобразования.
6. Моделирование устойчивости склонов, сложенных анизотропными грунтами, должно базироваться на последовательном изучении анизотропии двух типов:
1-й тип — анизотропия, связанная с природной неоднородностью, позволяет оценить мгновенную устойчивость склона;
2-й тип — анизотропия, возникшая при формировании зоны скольжения (в
виде горизонта максимальных сдвиговых деформаций), дает возможность оценить длительную устойчивость склона.
Фактический материал:
В основе работы лежит опыт расчетов и данные, полученные автором при оценке оползневой опасности по трассе трубопроводов на проектах: «Сахалин-1» (2004 г.), «Сахалин-2» (2004-2007 г.), «Изобильный — Невинномысск» (2012 г.), «Южный поток» (2012-2013 г.), на объектах строительства «Сочи-2014» (2010-2012 г.). Центральной кольцевой автодороги (ЦКАД) (2008 г.), при проектировании объектов на о. Русский (к саммиту АТЭС 2012) (2008 г.) и др.
Достоверность научных положений и выводов обосновывается качеством первичной инженерно-геологической информации, применением комплекса современных методов математического моделирования, сопоставимостью полученных результатов и соответствием их физическим представлениям.
Личный вклад автора заключается:
в комплексном анализе существующих методов прогноза региональной и локальной оползневой опасности, на основе которого были разработаны соответствующие классификации;
в разработке, совместно с Зыонг Мань Хунгом, комплексного подхода (при региональном прогнозе оползневой опасности), основанного на совместном использовании стохастического и детерминистического методов анализа;
в комплексном использовании современных подходов при моделировании локальной оползневой опасности;
в разработке оригинальной методики, совместно с О. В. Зеркалем, учета влияния анизотропии грунтов на устойчивость склонов.
Приведенные практические примеры основаны на работах выполненных автором в период с 2001 по 2013 гг.
Научная апробация и публикации:
Основные результаты настоящей работы были представлены на международных и общероссийских конференциях: «Сергеевские чтения» 2001 г. (Калинин Э. В., Панасьян Л. Л., Фоменко И. К., 2001); «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» 2007 г. (Спиридонов Д. А., Фоменко И. К., 2007); «Многообразие современных геологических процессов и их инженерно-геологическая оценка» 2009 г. (Зеркаль О. В, Фоменко И. К, 2009); «ГЕОРИСК-2009» (Галкин В. А, Фоменко И. К, 2009); «Геотехнические проблемы мегаполисов» 2010 г. (Фоменко И. К, Иванов А. И., Волков С. Н., 2010); «EngeoPro-2011» (Fomenko I. К., ZerkalO.V., 2011), (ZerkalO.V., Kalinin К V., Panasiyan L. L., Fomenko I. K., 2011); «Сергеевские чтения» 2010 г. (Фоменко И. К, Сироткина О. Н., Самаркин-Джарский К. Г., 2010); Proceeding of the technical meeting TC207 -«Workshop on soil-structure Interaction and Retaining Walls» 2011 r. (Fomenko I. K., Zerkal O. V., 2011); «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. Синтез знаний в естественных науках» 2011г. (Зеркаль О. В., Фоменко И. К, 2011); VII Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в
строительстве в Российской Федерации» 2011г. (Фоменко И. К, Сироткина О. Н., 2011) и других.
По теме диссертации опубликовано более 40 научных работ, в том числе 10 работ в реферируемых научных изданиях, одно учебное пособие и одна монография.
Автор являлся научным консультантом диссертационной работы Зыонг Мань Хунта «Научно-методические основы регионального прогноза оползневой опасности (на примере района Ха Лонг - Кам Фа на северо-востоке Вьетнама)».
Структура и объем работы:
Факторы, определяющие развитие оползневого процесса
Под фактором оползневого процесса, вслед за Емельяновой Е.П. [136] будем понимать любое обстоятельство, которое влияет на устойчивость склонов и, следовательно, может способствовать возникновению или повторному смещению оползня.
Считается очевидным, что в задачах о механическом равновесии откоса/склона основным силовым фактором, действующим в геологической среде, является собственный вес этой среды. Говоря более формально, в каждой точке этой среды действует фактор, именуемый тензором гравитации: Всякое оползневое смещение масс горных пород происходит под воздействием силы тяжести и возможно только тогда, когда сдвигающая составляющая силы тяжести превысит прочность пород в целом, либо по поверхностям или зонам ослабления.
Оползни - вторичные экзогенные геологические процессы (ЭГП), т.е. процессы, условия развития которых подготовлены первичными ЭГП [106]. Оползни могут возникать: в результате выветривания (контакт литосферы с атмосферой); как следствие подмыва берега (контакт литосферы с поверхностной гидросферой); в результате землетрясений (контакт приповерхностной области литосферы с глубинными ее частями); из-за хозяйственной деятельности человека (контакт литосферы с техносферой).
Многочисленные дополнительные факторы, обусловливающие развитие оползневых процессов, по характеру действия могут быть объединены в следующие группы [148]: 1. Факторы, создающие среду, в которой развиваются склоновые процессы. Это -комплексы пород; складчатые и разрывные тектонические структуры; литогенетическая, тектоническая и иная трещиноватость пород; степень и режим обводненности; пространственное соотношение тектонических нарушений с ориентировкой и крутизной склона и др. В общем случае, данная группа факторов определяется инженерно-геологическими условиями территории.
2. Факторы, изменяющие состояние и свойства массивов пород. Это - процессы разгрузки и разуплотнения пород, вызываемые эрозионным и абразионным расчленением территории; процессы выветривания и механической суффозии во всем многообразии их действия; процессы выщелачивания и карста; современные тектонические подвижки, вызывающие увеличение раздробленности пород в тектонических и прилегающих к ним зонах; увеличение обводненности пород за счет атмосферных и подземных вод, особенно по трещинам, контактам, прослоям и линзам.
3. Факторы, изменяющие величины и распределение напряжений в породах склона. Сюда относятся все факторы предыдущей группы, так как изменение свойств пород отражается на их напряженном состоянии; изменение высоты и крутизны в результате интенсивных и неравномерных современных тектонических поднятий; развитие процессов глубинной или боковой эрозии, абразии и т.д.; сейсмичность, вызывающая временное, но значительное перераспределение напряжений в породах склона; гидродинамическое давление.
4. Техногенные факторы воздействуют как на прочность пород склонов, так и на их напряженное состояние в результате создания различных выемок, отвалов, вертикальной планировки, пригрузок от веса сооружений; вибрации от механизмов и взрывов; дополнительного увлажнения за счет неорганизованного стока хозяйственных вод, утечек, поливов и др.; разработок открытым и подземным способами месторождений полезных ископаемых. Для техногенных факторов чаще характерна относительно локальная область действия, но они проявляются в более активной форме. Для каждого из них есть природный аналог, и его действие на возникновение склоновых процессов оценивается через соответствующие показатели и критерии.
Переход от отдельных факторов оползневого процесса, которые можно рассматривать как инструмент качественной оценки устойчивости склонов, к критериям делает -возможным оценивать устойчивость склонов и осуществлять прогноз ее изменения приближенно-количественным. Г.С. Золотарев [148] выделял следующие группы критериев, позволяющих проводить приближенно-количественный анализ: Цитологический критерий, отражающий состав, залегание, текстуры и неоднородности пород, слагающих склоны, а также наличие в них пластов разной прочности, зон и контактов ослабления и суффозионно-неустойчивых разностей. Мощные толщи прочных пород, залегающие на глинистых, легко растворимых или плывунных грунтах, в которых вследствие напряжений, превышающих прочность пород, возникают явления ползучести, выдавливания и выплывания, могут привести к крупным по объему, катастрофическим по движению и последствиям оползням и обрушениям склонов.
Структурно-трещинный критерий отражающий зависимость ориентировки горного склона и геометрические соотношения простираний и падений основных тектонических разрывов и трещин. Оценка свойств горных пород и анализ развития экзогенных процессов на склонах дожжен происходить с учетом «малой» трещиноватости узкой, тонкой и скрытой литогенетической, тектонической и иной трещиноватости пород, заполняющей весь объем массива. Проявление такого рода трещиноватости значительно влияет на величины физических, механических и фильтрационных свойств и анизотропию массивов горных пород, влияя на развитие малых обвалов и оползней, на процессы разгрузки, выветривания и выщелачивания пород склона. - Критерии новейших и современных тектонических движений и тесно связанная с ними сейсмичность должен оцениваться с нескольких позиций. Во-первых, увеличение общей раздробленности массивов пород при активизации древних или возникновении новых разломов и оперяющих трещин, приводит к изменению прочностных, деформационных и фильтрационных свойств массивов пород, а также их анизотропности. Во-вторых, существенное изменение прочности обломочно-глинистых оползневых масс, особенно водонасыщенных в периоды сейсмических колебаний до, в момент и после основного толчка, создают «сейсмически возбужденное» состояние смещающихся пород. И, в-третьих, непрерывное медленное и резкое (при землетрясениях) перераспределения напряжений в породах склонов, изменяет их напряженно-деформированное состояние, что, в свою очередь, может привести к потере склонами устойчивости. Сейсмические явления, способствуют активизации оползневых процессов.
Сейсмогравитационные дислокации подразделяются на две группы, в зависимости от возможности развития оползней на склоне: 1) сейсмогенные, формирующиеся на склонах, для которых оползневые явления не характерны; 2) субсейсмогенные, развивающиеся из сейсмогенных трещин, впервые появлявшихся на не оползневом склоне в условиях, достаточных для формирования оползней экзогенным путем, и, таким образом, землетрясение служит лишь поводом для отчленения массивов [251].
Количественный прогноз оползневой опасности
В этот период могут происходить разные явления, такие как: увеличение степени выветрелости пород; изменение их влажности и физического состояния; снижение прочности грунтов; изменение крутизны склона при подмыве; микроподвижки, пластические деформации, в том числе связанные с глубинной ползучестью [242]. Явления, развивающиеся на этом этапе (образование бугристости, валов, трещин и др.), часто устанавливаются визуально, но в большинстве случаев, особенно на начальной стадии, характеризуются данными стационарных инструментальных наблюдений. Начальная стадия развития процесса от последующей условно отделяется появлением трещин, прежде всего трещин «закола».
Этап фактического образования оползня также может иметь различную продолжительность, неравномерность скорости смещения оползневого тела или отдельных его частей. И.В. Попов [213] предложил различать оползни движущиеся, приостановившиеся и остановившиеся. Это означает, что смещение масс горных пород может быть разовым, повторяющимся многократно с остановками или периодически, с неизменяющимся объемом оползающих масс, либо с непрерывно равномерно увеличивающимся, либо увеличивающимся ступенями вследствие образования новых трещин и срывов на склоне. Каждая новая значительная общая подвижка оползня характеризует стадию процесса, а местные подвижки — его фазы. Стадии выделяются по перерывам между общими значительными подвижками оползня, обусловленными естественными геологическими или искусственными событиями в истории данной местности (крупные паводки на реках, наполнение водохранилища, отклонения от средних многолетних климатических условий, землетрясения и др.). В перерывах между стадиями образования оползня подвижки оползневых масс часто не прекращаются, а характеризуются малыми размерами и скоростями и обычно устанавливаются по данным инструментальных наблюдений.
Этап существования - стабилизации оползня наступает тогда, когда оползень образовался, причины, вызвавшие его формирование, устранены и оползневой процесс закончился. Устойчивость масс горных пород, сползших со склона или с откоса, восстанавливается, но при новом положении в рельефе. Повышение устойчивости может происходить постепенно, плавно или скачкообразно и иногда сопровождаться локальными смещениями некоторых объемов горных пород до полного окончания оползневого процесса. Дальнейшее преобразование и изменение рельефа оползневого участка происходит под воздействием других агентов денудации и аккумуляции.
Основные особенности развития оползневого процесса во времени можно охарактеризовать следующими положениями [136]: 1. Оползневой процесс является нестационарным, в нем можно выделить определенные этапы, стадии и фазы развития. 2. Оползень возникает при коэффициенте устойчивости склона или откоса, меньшем единицы. 3. Смещение оползня в каждом цикле является законченным. 4. Повторение процесса возможно после достижения неустойчивого равновесия при некотором воздействии старого или нового фактора. 5. Оползневой процесс является необратимым.
Оползни весьма разнообразны по размерам, строению, причинам образования и условиям, способствующим их возникновению и развитию, механизму, динамике процесса и т.д. Существует большое количество классификаций оползневых процессов. Только российскими учеными разработано более ста классификаций оползней [107]. Одни из них более детальные, учитывающие несколько характерных признаков, другие менее детальны, построены на учете одного или малого числа признаков. Большое число классификаций оползней отражает, с одной стороны, сложность оползневых процессов, а с другой — состояние развития науки об оползнях, которое показывает, что накопление фактов продолжается, а соответствующих теоретических обобщений делается пока недостаточно [180].
В России, наиболее широкой известностью пользуются классификации оползней А.П. Павлова, Ф.П. Саваренского, Н.Н. Маслова, A.M. Дранникова, И.В. Попова, Г.С. Золотарева, В.Д, Ломтадзе, Г.Л. Фисенко, М.К. Рзаевой, К.А. Гулакяна и В.В. Кюнтцеля, Е.П. Емельяновой, Н.Ф. Петрова и др. В странах Западной Европы и США наиболее популярны классификации оползней К. Терцаги, С. Шарпа, Д. Варнеса [106].
Необходимость специальных исследований теоретических основ классификации оползней и их актуальность хорошо выразил один из крупнейших оползневедов страны Г.С. Тер-Степанян: "В настоящее время в оползневедении наблюдается определенный тупик. С одной стороны, имеется необходимость в универсальной и достаточно адекватной классификации различных гравитационных процессов на склонах, которая позволила бы дать логическую схему четко выраженных таксонов, характеризующих различные виды оползней, однозначно описывать оползни и понимать их механизмы. С другой стороны, многочисленные предложения на этот счет, в том числе сделанные рядом крупных ученых, пока что не привели к общепризнанному результату" [207]. Классификация - один из фундаментальных процессов в науке. Под термином классификация обычно понимается распределение предметов или явлений по заданным классам согласно наиболее существенным признакам, присущим предметам или явлениям данного класса и отличающим их от предметов или явлений других классов. Составление классификации должно подчиняться следующим правилам [224]:
В одной и той же классификации применяется одно и то же основание (базис, критерий классификации). Объем классифицируемого класса должен равняться сумме объемов подклассов. Классы не должны пересекаться. Различие в существующих классификациях оползневого процесса в первую очередь связано с поставленными целями и используемым базисом.
В соответствии с поставленными целями существующие классификации гравитационных склоновых геологических процессов традиционно делятся на три группы: общие, региональные и частные. Общие классификации охватывают всё многообразие оползневых процессов и основаны на признаках, характеризующих особенности самого оползневого процесса. По мнению Г.К. Бондарика [107], общие классификации экзогенных геологических процессов, должны учитывать «среду, с которой взаимодействуют геосистемы, основную внутреннюю или внешнюю причину процесса и характер взаимодействия». Региональные классификации разрабатываются для отдельных районов развития оползней. Частные классификации основаны на признаках, существенных для оценки значения в развитии оползней отдельных факторов.
Главнейшие признаки для описания и классификации оползней были предложены Ф.П. Саваренским, И.В. Поповым и В. А. Приклонским [207] (табл. 1.4).
Б.А. Болт, У.Л. Хорн, Г.А. Макдональд и Р.Ф. Скот (1977) [207] в качестве базиса классификации предложили использовать материал формирования оползня, скорость развития оползневого процесса, величину смещения оползневых масс и механизм развития оползневого процесса.
Г.С. Золотарев [148] выделяет следующие основания для инженерно-геологического классифицирования склонов: стратиграфо-литологический, генетический, по возрасту формирования, по степени обводненности, по высоте, по морфологии, по стадии развития склона.
Методы математического моделирования
Величины оползневого потенциала, рассчитанные указанным способом, должны соответствовать прогнозным значениям коэффициента пораженности территории активными оползнями.
При этом необходимо иметь в виду, что методом оползневого потенциала можно оценить только такие изменения условий или воздействий, которые приводят к изменению класса одного или нескольких факторов оползнеобразования.
Изменчивость факторов оползнеобразования во времени обычно проявляется для величин атмосферных осадков и интенсивности абразии (в связи с колебаниями ветрового режима) на водохранилищах, по мере формирования береговой отмели, а также при инженерно-хозяйственной деятельности. Исходные величины осадков и интенсивности абразии на определенные последующие годы можно прогнозировать по материалам предшествующих многолетних наблюдений. Антропогенные воздействия прогнозируются применительно к видам и участкам проектируемого хозяйственного освоения территории.
На территориях, где оползневая съемка ранее не выполнялась, для регионального прогноза устойчивости склонов в пределах площадей распространения каждого основного литолого-генетического комплекса пород выделяются зоны с определенным сочетанием факторов оползнеобразования. Затем для каждой зоны по формуле (2.10) определяется величина оползневого потенциала, которая соответствует ожидаемой величине пораженности данной зоны активными оползнями.
Метод регрессионного анализа. Метод регрессионного анализа [209] основан на определении статических зависимостей какого-либо показателя (применительно к региональному прогнозу оползней — коэффициентов пораженности оползнями, частоты оползней и пораженности активными оползнями) от количественных характеристик воздействия факторов оползнеобразования и получения так называемых стохастических (регрессионных) уравнений первой степени и более высоких степеней (обычно не выше второй степени). Этот метод применим для прогноза степени развития оползней при ожидаемых изменениях интенсивности факторов оползнеобразования, а также для прогнозирования пораженности оползнями на территориях, где ранее оползневая съемка не выполнялась (при наличии аналогии с природной обстановкой, для которой получены стохастические уравнения).
Метод регрессионного анализа является более совершенным по сравнению с методом геодинамического потенциала и не требует относительно грубого разделения каждого
фактора на классы. Однако метод регрессионного анализа весьма трудоемок и требует сложной математической обработки [175], [176] .
Метод анализа ритмичности оползневого процесса. Метод анализа ритмичности оползневого процесса основан на выявлении периодичности активизаций оползневого процесса и ее связи с ритмами солнечной активности, выпадением осадков и другими метеорологическими параметрами.
Обычно прослеживается достаточно четкая связь количества оползней с солнечной активностью и с атмосферными осадками.
Для использования метода необходимы представительные и продолжительные ряды наблюдений за оползнями и достаточно сложный анализ с выявлением корреляционных функций по специальным программам.
Выявленные корреляционные функции позволяют ориентировочно прогнозировать на последующие годы общее число оползней и их площадь и выявлять время ожидаемой повышенной оползневой активности для изучаемого региона.
Использование данного метода затрудняется отсутствием, в большинстве случаев, достаточно представительных рядов наблюдений и сложностью необходимой обработки исходных данных [136], [290], [103].
Методы статистического анализа оползневых факторов. Подход основан на допущении, что если между нанесенным на карту распространением оползней (зависимая переменная) и одним или несколькими способствующими факторами (независимые переменные) имеется статистически существенная корреляция, то последние, в отдельности либо в совокупности, могут быть использованы для прогнозирования возможного расположения оползней в будущем. При внедрении данного подхода необходимо учитывать следующие моменты:
не учитываются специфические условия отдельных оползневых участков, например процесс подготовки и зарождения оползня рассматривается исходя из статистических данных, а не на основе инженерно-геологической информации;
способность отражать реальные условия, которые приводят к образованию оползней, будет зависеть от выбора массивов данных для использования в анализе и от уровня их детализации и достоверности;
принципиальным допущением в данном виде анализа является то, что будущие обрушения склонов вероятнее всего произойдут при условиях, которые стали причиной потери стабильности в прошлом и настоящем, хотя факторы, инициирующие оползни, могут со временем изменяться. Например, реализовавшиеся оползни могли произойти под влиянием условий окружающей среды, которые были характерны при климатическом режиме, отличающемся от нынешнего, или же техногенное воздействие могло со временем существенно изменить процесс образования оползней. Некоторые обуславливающие или инициирующие факторы оползнеобразования могут не являться независимыми друг от друга, и поэтому существует возможность автокорреляции или "двойного учета", если возможность развития оползневого процесса оценивается по совокупности факторов.
Анализ оползневых факторов может проводиться с использованием либо метода взвешенных произведений, либо метода взвешенных сумм [6], [50]. Каждый метод имеет свои достоинства и ограничения, поэтому в анализе рекомендуется использовать оба метода, а затем окончательное распределение совокупных значений, полученных с помощью каждого метода, сравнивать для установления соответствия
Группа методов, основанных на предельном анализе
Сравнение результатов прогноза оползневой опасности, полученных методом SMORPH, показало, что в результате прогнозируемого землетрясения в 8 баллов по шкале MSK 64 площадь оползнеопасных участков увеличится более чем в пять раз. При этом площадь крайне нестабильных участков увеличится почти в три раза и займет 11,8% исследуемой территории, а площадь умеренно-неустойчивых участков составит 19,6%.
Районирование региона Ха Лонг - Кам Фа по восприимчивости к оползневому процессу [151]
В отличие от двух выше использованных моделей SINMAP и SMORPH, районирование территории по восприимчивости к оползневому процессу относится к вероятностным методам.
При построении итоговой карты восприимчивости территории к оползневому процессу важным моментом является выбор разумных уровней классификационного показателя Н. Эта задача решается путем подбора оптимальной (с учетом определенных для выполнения анализа оползнеопасных факторов, действующих на данной территории) классификационной шкалы.
Для оценки степени восприимчивости геологической среды к оползневому процессу был использован принцип "светофора". В соответствии с этим вся территория региона Ха Лонг - Кам Фа была разделена на зоны:
Первая зона - характеризуется высокой восприимчивостью геологической среды к оползневому процессу.
Вторая зона - характеризуется средней восприимчивостью геологической среды к оползневому процессу.
Третья зона - характеризуется низкой восприимчивостью геологической среды к оползневому процессу.
Методом подбора были определены приемлемые уровни изменения интегрированного показателя восприимчивости к оползневому процессу Н для каждой из выделенных зон:
Результатом регионального прогноза по восприимчивости территории к оползневому процессу является карта районирования (рис. 2.22).
Первая зона показана на карте красным цветом (Н = 0.600 - 0.800). Она проходит в виде узкой полосы у подножия склонов. В геологическом отношении, она приурочена к периферийной части толщи Хон Гаи, представленной черными аспидными полосчатыми глинистыми сланцами, алевролитами и песчаниками. В геоморфологическом плане, она характеризуется крутыми склонами и откосами.
Высокая потенциальная энергия склонов, большая мощность коры выветривания и наличие зон ослабления, связанных с прослоями глинистых пород и угля, а так же наличие разрывных нарушения и широкое развитие в основании склонов эрозии способствуют активизации оползневых процессов в пределах выделенной зоны.
Полевое инженерно-геологические обследование территории показало, что на склонах имеются многочисленные проявления солифлюкции (дерновый покров на склонах разорван открытыми зияющими трещинами). В ходе маршрутных наблюдений выявлены многочисленные источники подземных вод (постоянные и временные). К этой зоне приурочено максимальное количество выявленных оползней.
Вторая зона показана на карте желтым цветом (Н = 0.400 - 0.600). В геологическом отношении, она приурочена к центральной части толщи Хон Гаи представленной континентальными отложениями: галечниками, кварцевыми песчаниками с прослоями черных алевролитов, углей, глинистых сланцев. Практически повсеместно она перекрыта делювиальными супесями и суглинками.
Существенная потенциальная энергия склонов, наличие зон ослабления, связанных с прослоями глинистых пород и угля, большие накопления элювиальных и делювиальных отложений, все это способствует активизации оползневых процессов в пределах выделенной зоны, к которой так же приурочено значительное количество выявленных в ходе полевых исследований оползней.
Третья зона показана на карте зеленым цветом (Н = 0 - 0.400). Она расположена в пределах долин Донг Хо и Куанг Хань, равнинного побережья залива Куок Бёа, равнины Кам
Фа, прибрежных пляжей территории Кам Сын, Бась Данг А - Кам Фа. В геологическом отношении, она приурочена к закарстованным известнякам каменноугольно-пермского возраста (толща Бак Сон), породам юрского (толща Ха Сои) и неогенового (толща Тиеу Гиао) возраста, а так же четвертичным отложениям.
Проявлений оползневого процесса в данной зоне практически не отмечено, за исключением долины Донг Хо, где решающую роль в формировании оползней играет фактор крутизны склонов.
Выводы:
Региональное прогнозирование оползневых процессов может быть как качественным, так и количественным и строиться, как на вероятностном, так и на детерминированном подходах. В основе региональных прогнозов, лежит специальное районирование территории, характеризующее распространение оползней и условия их проявления.
Перспективным направлением является использование технологий основанных на геоинформационных системах (ГИС), позволяющих максимально автоматизировать комплексный прогноз региональной оползневой опасности.
Под комплексным прогнозом региональной оползневой опасности, в рамках данной работы, понимается его соответствие трем критериям: Комплексный анализ региональных инженерно-геологических условий. Определение и оценка значимости влияния региональных факторов оползнеобразования на интенсивность и экстенсивность оползневых процессов. Использование при моделировании региональной оползневой опасности сочетания стохастического и детерминистского подходов. На основе стохастического анализа, решаются задачи по определению и оценке значимости комплекса региональных факторов оползнеобразования. На основе детерминистского анализа, решаются задачи количественного прогноза влияния отдельных факторов.
На примере региона Ха Лонг - Кам Фа (северо-восток Вьетнама) обосновано применение комплексной методики прогноза региональной оползневой опасности с использованием ГИС, базирующейся на совместном анализе моделей основанных на морфометрическом, геолого-гидрогеологическом критериях и по факторам восприимчивости территории к оползневому процессу.
