Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние проблемы цель и задачи исследования 12
1.1. Особенности горных дорог 12
1.2. Горные автомобильные дороги и опасные геологические процессы 19
1.3. Оползневые процессы как наиболее значимые геодинамические процессы для проектируемых горных дорог 22
1.4. Вопросы оптимизации трассы автомобильных дорог на склонах.. 28
1.4.1. Анализ существующих методов проектирования трассы автомобильных дорог 28
1.4.2. Существующая практика учета оползневых процессов при проектировании горных дорог 36
1.4.3. Традиционные критерии оценки и сравнения вариантов трассы. 44
1.4.4. Экологические аспекты проблемы оптимального трассирования дорог в горной местности 47
1.5. Общие выводы по гл.1 49
1.6. Цель и задачи исследования 51
ГЛАВА 2. Общая концепция методологии выбора оптимальной трассы горной дороги
2.1. Критерии, применяемые для оценки проектных решений при выборе их оптимальных вариантов 52
2.2. Выбор общего подхода к решению многокритериальной задачи выбора вариантов автомобильных дорог 60
2.3. Принцип использования системы поддержки принятия решения и его математическая интерпретация при многокритериальной задаче выбора наилучших вариантов трассы дорог на горном склоне 64
2.4. Возможные варианты определения оптимального положения оси земляного полотна на склоне 73
2.5. Общий алгоритм решения задачи выбора оптимального проектного решения при проложении трассы на склоне 75
Общие выводы по гл. 2 78
ГЛАВА 3. Теоретические основы оценки устойчивости земляного полотна на склоне применительно к задаче оптимального трассирования
3.1. Понятие о природно-техногенной системе «СКЛОН +ЗЄМЛЯНОЄ полотно» 80
3.2. О требуемых коэффициентах устойчивости 85
3.3. Понятие о категориях неустойчивости системы «С+ЗП» 94
3.4. Математическое моделирование устойчивости системы «С+ЗП»...96
3.4.1. Выбор расчетных схем для определения частных коэффициентов устойчивости системы «С+ЗП» 96
3.4.2. Построение математической модели системы «С+ЗП» связывающей расположение оси земляного полотна с её устойчивостью 106
3.4.3. Понятие о коридоре оползневой безопасности 117
3.4.4. Экспериментальное исследование возможного влияния различных факторов на устойчивость системы» С+ЗП»
и параметры коридора оползневой безопасности 121
3.5. Условия использования адаптированных моделей 132
3.6. Принципы рациональной организации и технологии инженерно-геологического обеспечения оптимизации проложения дороги нагорном склоне 134
3.6.1. Существующая нормативная база и номенклатура работ при инженерно-геологическом обеспечении проложения трассы на склоне 134
3.6.2. Основы построения общей схемы рациональной технологии инженерно-геологических изысканий на склоне 138
Общие выводы по гл.З 144
ГЛАВА 4. Теоретические основы методики оптимизации и принятия проектных решений при проложении трассы на горных склонах
4.1. Система «С+ЗП» с комплексом специальных решений по обеспечению её устойчивости 146
4.2. Целевая функция для проектирования оптимальной трассы на склоне 156
4.2.1. Целевая функция для нахождения оптимального положения оси земляного полотна на поперечнике 156
4.2.2. Целевая функция стоимости с учетом объемности задачи 162
4.3. Определение составляющих функций стоимости 164
4.3.1. Составляющая стоимости земляных работ 164
4.3.2. Составляющая стоимости подпорной стенки 165
4.3.3. Составляющая стоимости свайной поддерживающей конструкции 166
4.4. Исследование зависимости целевой функции стоимости и её составляющих от дефицита коэффициента устойчивости системы «С+ЗП» 167
4.5. Решение задачи оптимизации трассы на горном склоне 172
4.5.1. Оптимизации положения оси земляного полотна на поперечнике 172
4.5.2. Корректировка плана трассы дороги в целом 174
Общие выводы по главе 4 178
ГЛАВА 5. Разработка технологии проложения трассы на горных склонах с применением методов оптимизации
5.1. Общая процедура проложения оптимальной трассы на оползнеопасном склоне в горной местности 180
5.2. Представление исходных данных 184
5.2.1. Состав и ввод исходной информации 184
5.2.2. Обработка исходных данных и решение задачи с помощью модулей «Кредо» и СППР 188
5.3. Оценка устойчивости системы «С +ЗП» и определение границ коридора оползневой безопасности 190
5.3.1. Оценка устойчивости системы «С+ЗП» на базовой трассе по широкой сетке 189
5.3.2. Оценка устойчивости системы «С+ЗП» на базовой трассе по густой сетке 195
5.3.3. Определение границ коридора оползневой безопасности 204
5.4. Корректировка продольного профиля базовой трассы в пределах коридора оползневой безопасности 209
5.5. Оптимизация базовой трассы по критерию минимума строительных затрат 212
5.6. Оценка и выбор наилучшего варианта трассы с применением СППР 214
Общие выводы по главе 5 219
ГЛАВА 6. Практическая апробация разработанной технологии проложения трассы на конкретном объекте в горной местности
6.1. Характеристики объекта 220
6.2. Анализ положения предварительной трассы. Определение границ коридора оползневой безопасности 226
6.2.1. Анализ и оценка положения предварительной трассы с учетом устойчивости системы «С+ЗП» на основе инженерно-геологической информации по широкой и густой сетки 226
6.2.2. Определение границ коридора оползневой безопасности на склоне 232
6.3. Оптимизация продольного профиля в пределах коридора оползневой безопасности 238
6.4. Оптимизация положения оси земляного полотна на поперечниках и корректировка плана трассы в целом 239
6.5. Оценка и выбор наилучшего варианта трассы при помощи СППР 241
Общие выводы по главе 6 251
Заключение 252
Список литературы 255
Документы о внедрении 269
Приложение
- Существующая практика учета оползневых процессов при проектировании горных дорог
- Выбор общего подхода к решению многокритериальной задачи выбора вариантов автомобильных дорог
- Выбор расчетных схем для определения частных коэффициентов устойчивости системы «С+ЗП»
- Целевая функция для нахождения оптимального положения оси земляного полотна на поперечнике
Введение к работе
Хозяйственное освоение горных территорий, связанное со строительством автомобильных дорог, мостов, горнодобывающих и промышленных предприятий и других объектов, приводит к резкому возрастанию техногенных нагрузок на природную среду и к росту опасности её существенного негативного изменения. Это нередко создает критические ситуации, вызывает значительный материальный ущерб и даже ведет к гибели людей.
Автомобильные дороги на горных территориях являются практически единственными транспортными путями. «Отказы» горных дорог как транспортных сооружений сопряжены с большими экономическими потерями и социальными издержками. Между тем причинами отказов, прежде всего являются воздействие различных природных процессов, развивающихся на склонах.
Учет воздействия природных факторов и процессов на автомобильную дорогу является одним из основополагающих принципов в проектировании автомобильной дороги и как транспортного сооружения, и как инженерной конструкции. Во многом важность этого принципа общеизвестна и объясняется, прежде всего, теснейшей связью дороги с геологической средой и всеми теми глубоко природными процессами, которые происходят в ней и на ее поверхности. Эта связь усугубляется линейным характером дороги как инженерного сооружения, благодаря чему указанное взаимодействие для одной и той же дороги осуществляется на значительной протяженности поверхности геологической среды со всеми микро- и макро- особенностями последней. Кроме того, дорожная конструкция (земляное полотно плюс дорожная одежда) сама по себе является некоторым техногенным элементом геологической среды, сложенной горными породами, а также техногенной геоморфологической структурой, отвечающей определенным нормативным требованиям в отношении геометрических параметров, в том числе продольных и поперечных уклонов.
Характер, масштабность и интенсивность природных экзогенных склоновых процессов, воздействующих на автомобильную дорогу, в самой существенной мере зависят от особенностей территории, по которой проходит дорога. В этом отношении особое значение имеет горный рельеф, при котором интенсивность, масштабы и последствия геодинамических процессов, в частности - склоновых экзогенных - часто оказываются таковыми, что эти процессы именуют «опасными».
Проблема проектирования и строительства автомобильных дорог в сложных условиях пересеченной и горной местности отличается особой сложностью. Это связано, с одной стороны, с требованиями обеспечить оптимальные транспортные показатели и необходимостью учета многообразия реальных инженерно-геологических условий и условий взаимодействия земляного полотна с окружающей средой в горной местности, а с другой стороны, со стремлением чтобы строительство дороги не активизировало опасных геологических процессов. При этом к числу самых значимых процессов, с которыми связаны большие затраты сил и средств, является оползневые процессы.
Существующая практика трассирования дорог на горных склонах, основывается на отраженных в действующем СНиП понятия «устойчивый склон» и «неустойчивый склон». При этом учитывает только наличие уже развившихся на склоне природных оползневых процессов, предписывая обходить такие места в связи с необходимостью обычно чрезмерно больших затрат на обеспечение их устойчивости. В то же время вероятность развития оползневых процессов вследствие строительства дороги, т.е. в результате техногенных воздействий на склон, на котором еще не проявился оползневой процесс, учитывается недостаточно. Это является одним из слабых звеньев в проектировании горных дорог. При этом трассирование ведется без количественных оценок степени устойчивости геотехнического комплекса «склон + земляное полотно», вне связи с оптимизацией применения методов обеспечения устойчивости. Вопросы оползне-
вой защиты дороги обычно рассматриваются как функция уже принятых проектных решений по проложению трассы на стадии проектирования или же только после фактической оползневой деформации на эксплуатируемой дороге.
Это положение находит отражение и в действующих нормативных документах по проектированию и строительству автомобильных дорог, анализ которых показывают, что вопросы учета оползневых процессов в дорожной практике вообще отражены в них достаточно схематично, а разработку конкретных решений рекомендуется производить в порядке индивидуального проектирования (СНиП 2.05.02-85 п.6.58), для выполнения которого имеется ряд методических документов, в частности Союздорнии, ЦНИИСа и др.
Горные территории отличается большой неоднородностью как с точки зрения рельефа, так и с точки зрения инженерно-геологической обстановки. В связи с этим, даже незначительное смещение оси трассы может быть связано большими изменениями как в степени устойчивости склона с земляным полотном, так и в объемах земляных работ, а также в объемах и номенклатуре специальных дорогостоящих работ по обеспечению противооползневой устойчивости. Оптимизация проектных решений в этих условиях, обеспечивающая минимум строительных затрат при одновременном обеспечении требуемого уровня противооползневой устойчивости, а следовательно и уровня надежности дороги как транспортного сооружения, является актуальной проблемой.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка научных и методологических основ проложения трассы на горном склоне с выбором на основе многокритериальной оценки оптимального положения оси трассы с учетом обеспечения заданного уровня противооползневой устойчивости земляного полотна.
Для достижения поставленной цели определены задачи и показаны пути их решения. Научной новизной работы явяляетсяі
методика количественной оценки устойчивости природно-техногенной системе «склон+земляное полотно» («С+ЗП») применительно к наиболее распространенным формам нарушения её устойчивости;
математическая модель устойчивости системы «склон+земляное полотно», адаптированная к задаче оптимального проложения трассы, позволяющая определить положения оси трассы, отвечающее заданному уровню противооползневой устойчивости системы «С+ЗП»;
определение понятия «коридор оползневой безопасности», математическая модель и методика определения границ коридора. Принципы использования коридора при оптимизации трассы;
принцип получения оптимального проектного положения трассы на горном склоне с учетом дополнительных критериев, связанных с обеспечением заданного уровня противооползневой защиты системы «С+ЗП», реализованный в автоматизированной методике;
новый подход к решению задачи назначения и выбора проектных вариантов автомобильных дорог, основанных на принципах теории многокритериальной оптимизации;
общая компьютеризованная технология проложения трассы автомобильных дорог на горном оползнеопасном склоне на основе оптимизации положения оси трассы на поперечниках.
Методика апробирована при проектировании реальных участков автомобильной дороги в Таджикистане, Узбекистане и Грузии, учтены при разработке «Стандарта по проектированию автомобильных дорог» в Кыргызтане.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования. Разработана новая технология проложения трассы на горном склоне, позволяющая оптимизировать её с учетом видов и объемов работ по обеспечению требуемой степени устойчивости системы «С+ЗП» при многовариантном и многокритериальном рассмотрении задачи. Методология ориентирована на повы-
шение надежности проектного решения, снижение расходов на ликвидацию «отказов» в функционировании горной дороги на стадии эксплуатации. Разработанная технология обеспечена соответствующей программой и алгоритмом для реализации на ПЭВМ и оформлена в виде методических рекомендаций, принятых к использованию в дорожных отраслях Таджикистана, Узбекистана и Грузии.
Настоящая диссертационная работа выполнена на основе собранного автором фактического материала и опыта проектирования, строительства и эксплуатации горных дорог в Республике Таджикистан, к которому автор имел непосредственное отношение в течение 20 лет, работая в различных структурах дорожной отрасли, а также в результате комплекса теоретических и экспериментальных исследований.
Необходимые теоретические разработки и обобщения проведены автором на кафедре «Инженерная геология и геотехника» МАДИ(ТУ) в период пребывания в докторантуре (1996 - 1999 гг.).
При выполнении диссертационной работы автор неоднократно пользовался советами и консультациями по отдельным вопросам ведущих специалистов МАДИ(ТУ) (А.П. Васильев, Е.М. Лобанов, Г.А.Федотов, Коганзон М.С., Б.Б. Каримов, В.М. Еремин, и др.), НПО «КРЕДО» (В.В. Филиппов, Г.М. Жухо-вицкий, Г.В. Величко), которых он искренне благодарит за помощь в работе. Особую благодарность автор приносит своему постоянному научному консультанту профессору В.Д. Казарновскому, а также заведующему кафедрой профессору Э.М. Доброву, доценту Ю.П. Шкицкому и всем сотрудникам кафедры.
Существующая практика учета оползневых процессов при проектировании горных дорог
Кроме механизма смещения оползневой процесс характеризуется масштабностью и скоростью смещения. Диапазон размеров оползней по объему смещающихся масс грунта чрезвычайно широк и может измеряться как немногими кубометрами, так и тысячами, а иногда и миллионами кубометров.
Что касается скорости смещения, то в зависимости от типа оползня по механизму смещения скорость его может также изменяться от см/год до м/сек. И размеры и скорость смещения представляются весьма важными характеристиками оползневого процесса, особенно применительно к проблеме защиты дорог от оползней, поскольку от этих характеристик может зависеть и характер инженерных мероприятий, принимаемых для защиты и их эффективность.
Важнейшей особенностью оползневого процесса на склонах и откосах является его цикличность, выражающаяся в наличии периодов затухания и активи зации оползней [65]. Это связано с постепенным накоплением воздействий факторов, способствующих возникновению подвижки и достаточно резкой разрядкой после ее прохождения.
Основными факторами, способствующими оползневому процессу, являются определенное геологическое строение склона (в частности - наличие делювиальных масс), крутизна склона, воздействие на толщу подземных и поверхностных вод [118]. Во многих случаях оползневые подвижки связаны с развитыми вблизи склона процессами эрозии и абразии, а также с хозяйственной деятельностью людей (подсечки и перегрузки склонов, обводнение и т.п.). Мощным фактором, часто приводящим к оползням, является сейсмика [148]. Все это характерно для достаточно масштабных оползней, которые могут характеризовать нарушение так называемой общей устойчивости склонов и откосов. Однако, кроме таких оползней есть еще мелкомасштабные оползневые проявления, при которых глубина поражения откосов не превышает десятков сантиметров. Они представляют собой как бы определенный вид оползней в миниатюре. Однако, их мелкомасштабность обычно «компенсируется» большим количеством очагов таких смещений на участках откосов земляного полотна. В частности, это часто относится к откосам выемок, построенных в неблагоприятных грунтах. Профессор В.Д. Казарновский [59] предложил термин «нарушение местной устойчивости откосов», имея в виду мелкомасштабные (но обычно весьма многочисленные) нарушения в виде оплывин и сплывов грунта на откосах. Этот вид оползневого процесса связывается с воздействием на глинистые грунты откоса циклов промерзания - оттаивания - набухания - усадки, приводящего к деструкции грунта приоткосной части массива и потери им прочности при насыщении атмосферной влагой. Этот процесс в СоюздорНИИ был достаточно глубоко изучен Ю.М. Львовичем [89;90]. При этом показано, что речь идет по существу о процессе выветривания, как причине оползневого процесса этого вида. При строительстве и эксплуатации горных автомобильных дорог существенное внимание уделяют не только оползневой устойчивости природных горных склонов, но и устойчивости создаваемых при строительстве откосов земляного полотна, которые часто подвергаются проявлению этого процесса.
Данные практики говорят о том, что оползни представляют наибольшую опасность для автомобильных дорог из всех видов геодинамических процессов. Прямые потери при оползнях, связанные с функционированием дорожной системы, определяются протяженностью закрытых для движения участков дорог, продолжительностью перерыва в движении транспорта, объемом разрушенных сооружений и количеством несчастных случаев. Кроме прямых возникают и косвенные потери, включающие и социально-экономические последствия. Косвенные потери включают в себя снижение промышленного и сельскохозяйственного производства, потери в сфере бизнеса, уменьшение собственных доходов частных лиц, снижение доходов от налогообложения, а также расходы правительства на ликвидацию последствий разрушений.
Специально проведенным обследованием автомобильных дорог республиканского значения Таджикистана и Узбекистана выявлена подверженность значительной части дорог опасным геологическим процессам. Самыми распространенными процессами на горных дорогах Таджикистана являются горно-обвалные и оползневые явления, развитые соответственно на 6,78% и 4,16% от общей протяженности дорог республиканского значения (табл.1.4)[118].
Только на автодороге Душанбе - Нурек (23-41 км) отмечены 14 действующих оползневых участков общей протяженностью 760 п.м., которые часто перекрывают полотно дороги, прерывая движение.
На горных автомобильных дорогах Узбекистана оползни являются самым распространенным геологическим процессом [132], география распределения которого явствует из таблицы 1.5. Одной из основных причин такого положения является строительство и реконструкция дорог в горных и предгорных районах, сопровождаемые подрезкой склонов различной высоты и крутизны. Только на автомобильных дорогах Бостанлыкского района Ташкентской области отмечено свыше 46 действующих оползней на общем протяжении около 15675 пог.м., с объемами от небольшого (300...500 м3) до грандиозных (свыше миллиона м3). В течение 1991-1994 гг. в этом районе отмечено 84 очага оползневых явлений, из них поверхностных сплывов - 44, оползней -33, оползней -потоков - 5 и оползней-обвалов - 2. Из 36 км. общей протяженности автодороги Ташкент-Чимган, 6,8 км. или 19% находятся в зоне активного развития оползней.
Таких примеров можно привести много. Оползневые процессы в горных районах почти всегда усугубляются сейсмическими воздействиями. Ежегодный ущерб, наносимый этими процессами автомобильным дорогам, составляет миллионы долларов США и зачастую они сопряжены с гибелью людей.
Возникновение оползневых участков на эксплуатируемых дорогах во многих случаях вызывает необходимость принятия радикальных мер вплоть до изменения трассы дороги на этих участках с целью обхода оползневых зон. В этом случае, прежде всего, необходима достаточно надежная оценка устойчивости тех частей склона, на которые переносится трасса дороги.
Выбор общего подхода к решению многокритериальной задачи выбора вариантов автомобильных дорог
Использование принципа трассирования горной дороги без предварительной количественной оценки степени устойчивости склонов, как уже отмечалось, может быть сопряжено с последствиями в виде активизации оползневых про цессов. В настоящее время это рассматривается и как нарушение экологического равновесия на территории. В связи с этим любые мероприятия, направленные на ограничение отрицательных воздействий на окружающую среду (в том числе и на геологическую), рассматриваются как не только желаемые, но и как необходимые, поощряемые соответствующими законами. Трассирование дороги с учетом степени устойчивости склонов, несомненно, может быть одним из эффективных методов экологической защиты горных территорий. При этом знание оценочных величин степени устойчивости проектируемого комплекса «склон + земляное полотно» дает возможность не только не снижать природную устойчивость склонов, но в ряде случаев ее существенно повышать за счет более рационального размещения земляного полотна на склоне. С другой стороны, при строительстве автомобильной дороги в ряде случаев зоны с нулевым риском превращаются в зоны повышенного риска. Например, подверженная оползням или лавинам территория и потому считающаяся опасной и не осваиваемая человеком, является зоной почти нулевого риска. Но стоит построить на этой территории дорогу и она уже становится зоной повышенного риска.
Учет специфики и особенностей проложения горной трассы, разработка мер по уменьшению риска в связи с воздействием на окружающую среду в настоящее время основывается, главным образом, на профессиональном опыте и интуиции проектировщиков и строителей. В действующих нормативных документах и методах проектирования автомобильных дорог в горных условиях преобладает упрощенный подход к экологической оценке проектных решений, предусматривающий адекватный перенос самых общих рекомендаций на горные условия без попыток углубленного анализа специфики каждого объекта. Горные условия требуют особого учета и внимания, в частности, в вопросах, связанных с воздействием на геологическую среду при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог и с влиянием геологических процессов на дорогу и на участников движения. Профессор И.Е. Евгеньев [40] выделяет три основные экологические задачи для горных районов, решение которых необходимо при совершенствовании норм проектирования: 1. Ограничение воздействия на геологическую среду и её защита при строительстве, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог; 2. Разработка методов эффективной психологической и физической защиты пользователей дороги от отрицательного воздействия факторов окружающей неживой природы, включая и техногенные факторы; 3. Ограничение негативного воздействия строительства и эксплуатации дороги на жизнь населения, условия обитания животного мира, на сельское хозяйство и окружающий природный ландшафт и местные достопримечательности. Разработка более рациональной методики трассирования горных дорог с учетом устойчивости склонов на количественной основе создала бы новые возможности и с позиций экологической защиты территорий, в частности с точки зрения первой и третьей из упомянутых выше задач. 1. Проектирование, строительство и эксплуатация автомобильных дорог в условиях горного региона связаны с целым рядом специфических проблем, в число которых, прежде всего, входит проблема защиты дороги от опасных геологических процессов. 2. Одними из наиболее распространенных процессов, с которыми связаны большие затраты на стадии строительства и эксплуатации дорог, являются оползневые процессы. В практике проектирования и строительства автомобильных дорог в горных условиях отрицательное влияние на дороги опасных геологических процессов учитываются недостаточно полно, вследствие чего затраты на содержание участков горных дорог, подверженных воздействиям опасных геологических процессов, превышают затраты на содержание равнинных участков дорог среднем в 4-6 и более раз. Большие проблемы возни кают при проектировании автомобильной дороги на оползнеопасных горных склонах, особенно, когда отсутствуют альтернативные варианты проложения трассы. 3. Трассирование является наиболее важным этапом проектирования, опреде ляющим основные технико-экономические показатели проектируемой доро ги. Существующая практика трассирования и технология проектирования горных дорог на склонах не позволяет обеспечить высокое качество выбора положения трассы с учетом затрат на обеспечение устойчивости земляного полотна совместно со склоном, на котором оно располагается. Это является одним из слабых звеньев в проектировании горных дорог. При этом трасси рование ведется без количественных оценок степени устойчивости геотехни ческого комплекса «склон + земляное полотно» вне связи с оптимизацией применения методов обеспечения устойчивости. Вопросы оползневой защи ты дороги рассматривается как функция уже принятых проектных решений по проложению трассы. Это не способствует поиску оптимальных вариантов трассы, учитывающих возможность оптимизации конструкции земляного полотна на склоне с одновременным обеспечением требуемую устойчивость системы «склон + земляное полотно». 4. Методы проектирования должны быть увязаны с принятой технологией проектирования. В свою очередь выбор метода и технологии проектирования зависит от конкретных особенностей проектируемого объекта. Наибольшую перспективу открывает применение метода оптимизации по технико экономическому критерию. 5. Совершенствование методики трассирования горных дорог на основе коли чественных оценок устойчивости оползнеопасных склонов с использованием современных средств инженерно-геологических изысканий и с оптимизаци ей проектного решения конструкции земляного полотна и противооползне вых сооружений может дать значительный эффект как на стадии строитель ства, так и в период эксплуатации дороги. Этот эффект может быть получен как за счет снижения строительной стоимости при обеспечении требуемого уровня надежности, так и за счет повышения экологической безопасности и снижения эксплуатационных расходов.
Выбор расчетных схем для определения частных коэффициентов устойчивости системы «С+ЗП»
Действовавшие до последнего времени в качестве официального документа «Указания по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог. ВСН 21-83» [192] исходили из народнохозяйственного подхода к оценке принимаемых решений по развитию дорожного хозяйства. На основе «Указаний» были предприняты попытки разработать подобные документы, посвященные технико-экономической оценке и выбору вариантов схем развития дорожной сети и вариантов планов строительства и реконструкции автомобильных дорог общего пользования в стране в целом и в отдельных ее регионах [109;133;137;146;191]. Все эти работы основывались на общем критерии - минимуме приведенных затрат и различались между собой набором учитываемых элементов затрат и эффектов, методами их подсчета, степенью детализации и трудоемкостью расчетов.
Оценка результата и затрат при определении показателей эффективности осуществляется за весь жизненный цикл проекта. При сравнении двух и более вариантов проекта оценка результата и затрат по всем вариантам производится за один и тот же расчетный период, включающий все предстоящие этапы жизненных циклов всех вариантов проекта. Начало расчетного периода определяется моментом времени, начиная с которого выбор варианта влияет на будущие затраты и результаты. Конец расчетного периода - момент, начиная с которого затраты и результаты по всем сравниваемым вариантам практически неразличимы или несущественны (с учетом дисконтирования). Для стоимостной оценки результатов и затрат могут использоваться различные виды цен, отличающиеся: по временной базе цен - базисные, прогнозные и расчетные цены; по сфере формирования цен - внутренние и мировые цены; по использованию в финансовом или экономическом анализе проектов - рыночные (в отдельных случаях - регулируемые) и так называемые "теневые" цены; по виду валюты - в отечественной валюте, в иностранных (как правило в свободно конвертируемых) валютах.
Все результаты и затраты, получаемые (совершаемые) в различные моменты времени, приводятся к единому моменту (обычно - к началу расчетного периода), путем умножения их на дисконтирующий множитель, определяемый нормой дисконта Е. Структура и общая величина дисконта зависят от его базовой величины, а также от применяемой системы цен и способа учета риска.
Значение базовой нормы дисконта либо устанавливается государством (Министерством экономики) как специфический социально-экономический норматив, обязательный для оценки проектов с позиций общества в целом, либо его значение должно быть установлено и объявлено распорядителем дорожного фонда (органа управления дорожным хозяйством), либо принято каждым хозяйственным субъектом, исходя из собственного финансового состояния и цены капитала на рынке.
Величина безрискового и безинфляционного дисконта, а также ожидаемые годовые индексы инфляции принимаются по данным прогноза Министерства экономики или же путем экспертной экстраполяции данных отчетности Госкомстата либо Министерства транспорта. Значение же связанной с риском надбавки к дисконту должно устанавливаться разработчиком проекта с учетом уровня риска конкретного проекта. Применительно к дорожной отрасли, в зависимости от прогнозируемых общеэкономических условий, условий формирования дорожных фондов, а также способов учета прогнозируемой динамики цен и уровня риска проекта значения дисконта Е могут оставаться постоянными или меняться некоторым известным образом на протяжении расчетного периода рассматриваемого проекта.
Формирование синтетической информации о денежных потоках (cashflow) - принципиально новый элемент оценки эффективности инвестиций для отечественной практики технико-экономических расчетов. Это связано в значительной мере с изменением состава источников финансирования, переходом от преимущественно бюджетных источников, использование которых осуществлялось в основном на безвозмездной основе (реализовывались принципы безвозвратности, бессрочности, бесплатности), к многоканальной системе финансирования с привлечением, кроме государственных, собственных и заемных средств, в том числе иностранного капитала. Для объектов дорожного хозяйства, характеризующихся высокой капиталоемкостью, длительными сроками проектирования и строительства, значительными внешними эффектами (вне инфраструктурными, не находящими полного отражения в показателях деятельности дорожного хозяйства) и т.п., учет этих аспектов при анализе и оценке инвестиционных проектов в рассматриваемой сфере особенно существенен. Как следствие, многоканальная система финансирования требует проведения детальных обоснований эффективности использования инвестиций и контроля за их освоением в течение всего расчетного периода, в том числе составления таблиц денежных потоков (cash now).
Формируемая в виде таблиц денежных потоков информация о проекте позволяет контролировать на каждом шаге расчета соблюдение принимаемых исходных предпосылок и принципов оценки эффективности инвестиций, регламентируемых в соответствии с Методическими рекомендациями [104]: прове рять наличие достаточных финансовых средств для реализации проекта, отслеживать и корректировать динамику включаемых в расчеты эффективности характеристик, включая процентную ставку, степень риска, уровень инфляции с учетом ее структурной неоднородности, структуру капитала и др. При этом для повышения степени обоснованности проекта необходимо располагать не одним, а несколькими вариантами таблиц денежных потоков, отвечающих различным гипотезам относительно способов достижения целей проекта (принимаемой программы дорожных работ, производства и реализации продукции и услуг, схем финансирования проекта и т.д.). Осуществление необходимого контроля при реализации проекта на стадиях строительства и эксплуатации предполагает, что таблицы денежных потоков, составляемые на основе прогнозной информации, должны быть сопоставимы с таблицами фактических потоков денег, формируемых в рамках финансовой бухгалтерской отчетности по действующим предприятиям.
Целевая функция для нахождения оптимального положения оси земляного полотна на поперечнике
Особенность рассматриваемой нами задачи выбора трассы горной дороги заключается в том, что критерии, которыми мы обязаны руководствоваться, достаточно различны по условиям их удовлетворения. В частности такие важные для автомобильной дороги характеристики как протяженность и параметры плана и профиля, напрямую связаны с транспортно-эксплуатационными свойствами дороги, реализуемыми на стадии её эксплуатации и оцениваемыми по традиционным критериям. В то же время очевидно, что обеспечить соответствие дороги требованиям в отношении профиля и плана можно различными способами и при различных затратах (причем в принципе как строительных так и эксплуатационных).
Обычная процедура проектирования трассы дороги заключается в том, что первоначально на основе топографических материалов намечают варианты плана трассы. Далее каждый вариант прорабатывается в отношении продольного профиля. При этом на этой стадии никаких конкретных материалов по инженерно-геологическим условиям (за исключением данных о расположении расчетного уровня грунтовых вод) и некоторых общих данных о геодинамических процессах, проявившихся на поверхности и отражаемых на картах (например, очаги оползней и т.п.) не имеется. В этих условиях выбор рациональной трассы может быть осуществлен по существу только по геометрическим параметрам (протяженность, уклоны, радиусы и т.п.) или по показателям, производными от геометрических параметров (расход горючего, время движения пассажиров, условие безопасности и т.п.). Очевидно, что при такой оценке в стороне оказывается вопрос об обеспечении устойчивости земляного полотна, сооружаемого на склоне, хотя соблюдение этого условия является обязательным. Здесь вводится предположение, что устойчивость будет обеспечена тем или иным способом.
Реально же устойчивость может быть обеспечена с большими или меньшими затратами, причем в некоторых случаях на каких-то участках затраты могут оказаться такими высокими, что прохождение трассы по данному участку практически окажется невозможным, как бы хорошо этот участок трассы ни выглядел с точки зрения плана и профиля.
При этом для принятия проектных решений по обеспечению устойчивости необходимо иметь инженерно-геологическую основу, т.е. результаты инженерно-геологических изысканий применительно к каждому варианту трассы. Наличие на первом этапе поперечных профилей земляного полотна в сочетании с геологическими разрезами склонов, позволяет оценить степень устойчивости системы «склон+земляное полотно», после чего можно говорить о необходимых мероприятиях по обеспечению устойчивости (если она оказывается недостаточной).
Принципиально повышение устойчивости на некотором поперечнике можно добиться следующими методами: смещением трассы в горизонтальном направлении с учетом геологического строения и рельефа местности; изменением (уменьшением) рабочих отметок полотна без изменения положения оси по горизонтали; применением специальных подпорных сооружений; заменой земляного полотна эстакадой. Каждое из указанных мероприятий в каждом конкретном случае будет иметь свою цену в смысле строительных затрат. При этом приближенно можно считать, что принципиально возможно получить один и тот же технический эф фект при применении любого из трех мероприятий, используемых в случае сохранения земляного полотна, однако затраты будут разные. В связи с отмеченным, решение общей оптимизационной задачи, очевидно, распадается на два самостоятельных уровня: оценка и выбор оптимальных вариантов трассы по геометрическим параметрам; оценка и выбор оптимальных вариантов трассы с учетом мероприятий по обеспечению устойчивости земляного полотна. В целом эти два уровня взаимосвязаны, однако при решении такой сложной комплексной задачи целесообразно её декомпозиция. В этом случае при оптимизации положения трассы с учетом мероприятий по обеспечению устойчивости реально, критериями оптимизации становится номенклатура специальных работ и строительная стоимость. С учетом всего сказанного, общая процедура выбора оптимального решения состоит из следующих основных этапов: 1. Назначение нескольких эскизных вариантов трассы с получением плана и продольного профиля каждой. 2. Выбор базового варианта, наиболее близко отвечающий заданному набору критериев; 3. Геотехническая оценка трассы с точки зрения устойчивости системы «склон+земляное полотно». 4. Анализ и при необходимости корректировка эскизного продольного профиля по заданным условиям (минимум объемов специальных работ, уклоны, и т.п.). 5. Оптимизация положения оси конструкции земляного полотна на поперечниках по заданному технико-экономическому критерию. 6. Корректировка плана трассы в целом с учетом оптимизации положения оси земляного полотна на поперечниках. Известно, что первые два этапа процедуры выбора оптимального решения достаточно хорошо отработаны и имеют соответствующее программное обеспечение. Этого нельзя утверждать в отношении этапов, связанных с оценкой устойчивости и оптимизацией затрат на обеспечение устойчивости. Здесь, во-первых, требуется выполнить определенные обобщения, позволяющие использовать достаточно многочисленные исследования в области проблем противооползневой устойчивости для нашей задачи, а во-вторых, дополнить эти разработки решениями в области оптимизации, необходимыми в рамках рассматриваемой темы.
Изложенные выше показывает, что оптимизация трассы дороги на ополз-неопасном склоне при любом критерии оптимизации неизбежно связывается в первую очередь с условием обеспечения устойчивости как самого земляного полотна, так и склона, на котором оно сооружается. В связи с этим, первостепенное значение приобретает вопрос о количественной оценке устойчивости системы «склон+земляное полотно». Степень устойчивости не только определяет характер мероприятий, требующихся для её обеспечения, но и их стоимость, без учета чего невозможно говорить об оптимизации. В связи с этим перейдем к рассмотрению проблемы оценки устойчивости земляного полотна на склоне.
