Особенности взаимодействия дорожно-транспортного комплекса и природной среды в горных условиях и оценка риска природного и техногенного характера при чрезвычайных ситуациях

УДК 656.13К69

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В ГОРНЫХ УСЛОВИЯХ И ОЦЕНКА РИСКА ПРИРОДНОГО

И ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

Л.И. Кортиев, А.Л. Кортиев

В статье изложен материал по исследованию взаимодействия дороги с транспортными средствами и окружающей природной среды в горных условиях. Окружающая горная природная среда представлена изрезанным горным рельефом со склоновыми явлениями как оползни, сели, лавины и др., которые создают риск природного и техногенного характера для дороги, искусственных сооружений, автотранспортных средств и для самой природной среды. Риски соответственно создают чрезвычайные ситуации и для определения их масштаба делается их количественная оценка

Ключевые слова: склоновые явления, природный и техногенный риск, дорожная экологическая безопасность

Дороги, проложенные в окружающей среде на равнине представляют собой преимущественно прямолинейные участки, сопряженные кривыми разных радиусов. Криволинейные участки обуславливаются рельефно-природными условиями или результатами социально-экономической

деятельности человека. В эксплуатационный период влияние дороги и движущихся на ней автотранспортных средств (АТС) на окружающую среду определяется: изъятием плодородных земель и строительно-эксплутационных материалов под земляное полотно и строительных площадок; воздействием шума и вибрации; выделением отработанных газов от двигателя автомобиля; выбросом вредных частиц от истирания асфальтобетонного покрытия и автопокрышек; воздействием на растительный и животный мир, атмосферу, гидросферу и др. Тем самым в равнинных условиях происходит одностороннее влияние дороги и АТС на окружающую среду.

В горных условиях дороги приобретают пространственную форму с наличием продольных максимальных уклонов и кривых малых радиусов, часто переходящих в серпантины. Особо следует отметить случаи, когда кривые на серпантинах сопрягаются с большими продольными уклонами и поверхность проезжей части покрывается дождевой или снежной пленкой.

В сложной горной обстановке гораздо часто создаются угрозы природного и техногенного характера, способные вызвать чрезвычайные ситуации (ЧС), именуемые в ведомственной дорожной терминологии дорожно-транспортными пришествиями (ДТП).

В этом случае к факторам угроз природного характера следует отнести образование пленки от атмосферных осадков, а к факторам угроз техногенного характера - наличие продольных уклонов и малых радиусов на кривых. Совместно они увеличивают природный и техногенный риск

Кортиев Леван Исмаилович - СКГМИ (ГТУ), канд. техн. наук, доцент, (8672) 690248, ptishkli@mail.ru Кортиев Алан Леванович - СКГМИ (ГТУ), инженер, соискатель, (8672) 699293

(ПТР), могущий вызвать ЧС в виде ДТП. Участки дорог с кривыми малых радиусов и с продольными уклонами, создающие техногенный риск, относятся к неизбежным конструкционным «дефектам» дороги (даже в случае производства проектных работ в строгом соответствии с действующей нормативной и рекомендательной документацией), и обеспечение безопасных условий движения транспортных средств на них является предельно сложным. Проблема обеспечения безопасного движения дополнительно усложняется, если этому способствуют риски природного характера.

Кроме ПТР на горную дорогу происходит обратное и негативное влияние от самой природной среды в виде склоновых явлений. Схематическое изображение взаимодействия дорожнотранспортного комплекса (ДТК) (Дорога +

автотранспортные средства) и природной среды (склоновые явления) показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схема взаимодействия ДТК и природной среды, создающие условия ЧС

Транспортная природно-техническая система в горных условиях состоит из двух составных частей.

К первой составной части отнесена дорога и движущиеся на ней автотранспортные средства, именуемая «дорожно-транспортным комплексом».

Вторую составляющую представляют опасные склоновые явления, проявляемые в

«природной» среде. Следует рассматривать «природную» и «дорожную» составляющую, как единую дорожную среду, что позволит правильно определять причины и следствия возникающих рисков. Взаимодействие указанных двух составных частей начинается с прокладки дороги в горной природной среде и организацией на ней транспортного движения.

С одной стороны дорога и АТС начинают отрицательно влиять на окружающую среду, вызывая в ней необратимые изменения. С другой стороны дорога, проложенная на горных склонах со склоновыми явлениями и без них, нарушает равновесие подрезанных грунтовых масс, переводя их в состояние неравновесия, в результате чего происходит процессы их обрушения на дорогу, дорожные сооружения и АТС, создавая ЧС.

Обрушительные и разрушительные процессы склоновых явлений на ДТК не ограничиваются воздействием на транспортные средства, дорожные конструкции и сооружения, а распространяя-ются и ниже по склону, увеличивая экологическую опасность техногенного характера на прилегающей к дороге территории. Тем самым дальнейшее влияние склоновых явлений увеличивает риск и экологический ущерб той же природной среде.

Природная среда в горных условиях

представлена в основном изрезанными склонами, на которых лежат зачастую потенциально опасные грунтово-снежные массивы, способные терять равновесие от природных и техногенных

воздействий. Причиной природных воздействий может быть большая крутизна склона, атмосферноклиматические условия, землетрясения и др.

К антропогенно-техногенным воздействиям относятся: подрезка склонов при устройстве

выемок, взрывы, вибрационные воздействия (воздействия от большегрузных транспортных

средств), шумовые воздействия (выстрелы из орудий, автоматов и др.).

При утере равновесия грунтово-снежные

массы со склона или откоса обрушаются на дорогу, создавая опасные условия для движущихся АТС, и разрушая дорожную конструкцию, защитные сооружения и растительный слой ниже дороги.

Разрушение конструкционных элементов дороги и защитных сооружений способствует созданию очередной цепи опасных условий для движения транспортных средств. Разрушение элементов дороги приводит к сужению габаритных размеров проезжей части, а элементов защитных сооружений - к падению их на проезжую часть, что в обоих случаях создает опасные условия для дорожного движения. Обрушенные на дорогу грунтовые и снежные массы сбрасываются на нижний откос, продолжая там деградацию площадей, и отрицательное влияние на растительность, фауну и ихтиофауну т.к. процесс падения или сброса продолжается, как обычно, до реки и в нее.

Проложенные дороги на склоне кроме верхнесклоновых и откосных обрушений

подвергаются и воздействиям от явлений, расположенных по склону ниже оси дороги. Причины возникновения, обрушительные

воздействия и дальнейшее их развитие не

идентично верхнесклоновым и откосным явлениям

и соответственно их влияния на дорожную и экологическую безопасность (ДЭБ) следует рассматривать отдельно [1].

В целом взаимодействующие факторы ДТК и окружающей природной среды в горных условиях, многогранны но слабо изучены, поэтому следует устранить этот пробел в транспортной науке. Схематическое изображение всего комплекса

причин, создающих угрозу ЧС и соответственно ДТП, показано на рис. 2.

Горный ландшафт и склоновые явления влияют на экономические показатели строительства и эксплуатации дорог, и в определенной степени влияет на развитие схемы дорожно-транспортной сети.

В выборе направления дороги большую роль играет рельеф местности, что предопределяет прокладку дороги с большими уклонами, а это в свою очередь требует устройства глубоких выемок и высоких насыпей, что увеличивает ущерб окружающей среде. Горная окружающая природная среда, изобилующая склоновыми явлениями, сама становится опасным фактором для самой дороги с транспортными средствами, а также для той же самой природной среды.

На равнинной местности происходит одностороннее воздействие дороги на окружающую среду [2], а в горных условиях сама дорога с находящимися на ней транспортными средствами находится в многократной опасности от окружающей среды.

Окружающая среда в горах со склоновыми явлениями, находящимися как в пассивной, так и в активной форме вступают в «противоборство» с ДТК, который сам, в свою очередь, является источником загрязнения и воздействий на окружающую среду. Сложная схема

отрицательного взаимодействия горной среды со склоновыми явлениями и ДТК требует своего исследования и систематизации, для чего прежде следует определить уровень суммарного риска, как природного, так и техногенного характера при возникновении ЧС (ДТП).

Отрицательное воздействие склоновых явлений на транспортное сооружение при его строительстве и эксплуатации усиливается в весенний (апрель - май) и в осенне-зимний период (ноябрь-декабрь) т.е. в период активизации процессов их сползания и обрушения на дорогу.

Современные научно-технические средства и методы защиты склонов от обрушительных процессов селей, лавин, обвалов и др. склоновых явлений предусматривают множество теоретических и практических решений, однако применение их осложнено труднодоступностью крутых горных склонов и отсутствием возможности их использования в стесненных условиях.

га

кн

к

га

оа

и

о

П

и

а.

о

а> і—і мн

X

И

а.

о

п

о

ЕС

га

Е=^

занятие площ ад ен

деградация площадей

разделение биосферы

изменение гидросистемы

осложнение движения

II оощення животных

сгорание ГСМ

оксид углерода

оксид азота

углеводороды

сажа

сернистые

соединения

ПЫЛЬ

тнос дорожного

ПОКрЫПЫ II шпн^

создание шу ма

износ автошин

уклоны

. радиусы на кривых

рельефные условия

оползни

сели

о овалы

осыпп

лаві мы

ледники

верхнесклоновые

явления

лавины

осыпп

оовалы

оползни

сети

налелн

откосные явления

крошка

мель Ї 4 осыпп

цинк [ , оползни

качтпт Г 4 размывы Ш1ЖНССКЯОНОБЫС

никель ’ ^ лавины с ир огив о- явления

положного склона

Рис. 2. Обобщенная схема взаимодействующих факторов ДТК и природной среды в горных условиях,

создающие угрозу ЧС

га

П

О

См

га

и

о

с?

о

3

га

П

и

а

и

еч

га

ш

2

СС

>

&

О

Единственным и надежным способом защиты транспортного сооружения и движущихся транспортных средств от обрушительных

процессов склоновых явлений является устройство дорогостоящих галерей. К их помощи прибегают на Кавказе, в Альпах и в других горных регионах мира.

Анализ стоимости строительства таких

галерей показывает, что они иногда обходятся дороже, чем прокладка дороги в тоннелях.

Многолетний мониторинг показывает, что обеспечение надежности работы галереи, как

защитного ТС, сложнее, чем тоннеля. В плане же безопасного движения АТС в тоннелях менее подвержены природно-техногенному риску и угрозе от склоновых явлений, как потенциальных причин создания ЧС (ДТП) чем при движении на участках с галерейными защитными сооружениями.

В то же время строительство дороги в тоннельном варианте снижает как дорожную, так и экологическую опасность, поскольку сооружение находится в подземном пространстве и с поверхностными склоновыми явлениями (кроме устьевых частей) не контактирует. Тоннель почти не подвержен атмосферно-климатическим воздействиям и находится всегда в одинаковых температурных и эксплуатационных условиях.

Применение классических лавинозащитных сооружений в реальных условиях не всегда возможно и целесообразно. Так, на примере первого этапа строительства Транскавказской автомагистрали можно отметить, что

лавинозащитные сооружения либо уже разрушены, либо находятся в стадии активного разрушения. Защитные сооружения, предназначенные для защиты движущихся по дороге АТС, сами становятся опасным фактором как для самих АТС, так и для дороги и окружающей среды.

Причины разрушения защитных сооружений можно разделить на предпроектные, проектные, строительные и эксплуатационные:

Предпроектные причины связаны с

отсутствием достаточно точного прогноза лавинной оползневой и селевой опасности участка и применением, в целях «экономии», устаревших геологических и климатических данных вместо проведения комплексных натурных наблюдений. Начальные условия, определяемые на предпроектной стадии при изысканиях и на стадии проектирования не дают истинной картины. На сегодня нет соответствующих математических аппаратов для описания истинного влияния объекта, например, на гидрогеологические,

микроклиматические условия, растительность, состояние грунтов. Следовательно, многие

значимые факторы определяются со значительной долей вероятности, допускающей отклонения в ту или иную сторону. Кроме сказанного предпроектные изыскания в разумные сроки не могут охватить всех вопросов, поэтому начальные

Неудовлетворительно организованный водоотвод с пазухи галереи

Разрушенная лавинно- селе защитная галерея Схема конструкции галереи деформированной от ударной силы лавин и жижеобразной массы

Рис. 3. Причины и результаты разрушения галереи на Транскаме

условия всегда неопределенны и с ростом длительности прогноза они будут быстро прирастать и превысят допустимые пределы предсказуемости. Изложенное дает основание заключить, что достоверность прогнозов со временем быстро падает и ошибка изыскателя может быть неизбежной, что соответственно повлияет на качество проектного решения.

Проектные - выбор неудачной прямоугольной конструкции галереи без учета ее сопротивляемости на динамическую нагрузку ударной силы лавины при малой толщине грунтовой подушки над сооружением. Сплошная монолитная внутренняя стена и наружная прерывистая стена из колонн - стоек связанная ригелем перекрывается балками, применяемые в мостостроении. Узлы соединения стен и балок перекрытия не жесткие. При мощном ударе лавинной массы под углом, балки перекрытия в горизонтальной плоскости смещаются незаметно в наружную стену. Мгновенно образовывается пустое пространство между внутренней стеной и рыхляком, также мгновенно заполняется жижеобразной массой и слабые упругие силы от вертикальных стен не способны конструкцию вернуть в прежнее состояние.

Подобные ежегодные слабо заметные смещения верхней части прямоугольной галереи в четыре и пять раза за снего-лавинный сезон приводит стены в неустойчивое положение в вертикальной плоскости. Создание таких опасных условий в эксплуатационный период для самой конструкции галерей, движущихся АТС, дороги и окружающей дорожной среды на практике и примерах Транскама завершилась демонтажем конструкции либо ее разрушением (рис. 3) [3].

Строительные - отсутствие

технологических карт и способов выполнения работ по отсыпке надгалерейной насыпи и контроля качества отсыпки;

Эксплуатационные - отсутствие

организованной службы мониторинга склоновых явлений и эксплуатации сооружений [4, 5].

Кроме лавинных обрушений на горные дороги отрицательно влияют большое количество селеопасных участков, образованных боковыми притоками рек и селеопасными обнаженными склонами - потенциальными очагами развития селевых явлений.

Боковые ущелья горных рек имеют достаточно большой уклон, достигая в низовой части уклона 15-20 %, что создает условия увеличения скорости выброса селевого потока, и приводит к росту природно-техногенного риска. Кроме

геоморфологических условий для формирования селевого потока, как обычно, действуют и антропогенные причины усиления селевых выносов. Подземные и открытые горные выработки притрассовых карьеров и для различных видов строительства: дорожного, гидротехнического,

горного и др. видов размещаются бесхозно, что способствует развитию селеопасности [6].

Для иллюстрации подобного примера на рис. 4 показан фактический схематический поперечный профиль, участка строительства гидротехнического тоннеля, способствующего развитию селевых выносов.

Рис. 4. Схематичный поперечный разрез с отвалами пород от тоннельных выработок гидротехнического строительства, создающие техногенный риск для развития и активизации селевых выносов

Если склоны в полосе проложенной дороги покрыты травяной растительностью, а

четвертичные отложения покрыты почвеннорастительным слоем, то возможные поверхностные оползни и обвально-осыпные явления практически исключены, либо пребывают в пассивной форме. В результате же антропогенного воздействия нарушается устойчивость верхнего откоса и возникают условия обвально-осыпных явлений.

На фотографиях (рис. 5, 6) показаны

обвально-осыпные откосные явления, создающие ЧС и определенную дорожную опасность в совершении ДТП. Практика эксплуатации горных дорог показывает, что породы от обвально-осыпных откосных явлений сбрасываются на нижний откос дороги, чем активизируются селевые разрушительные процессы, или ЧС для самой природной среды на площадях ниже оси дороги.

Рис. 5. Откосные обвально-осыпные явления -

потенциальные источники ЧС (ДТП) в горных условиях Кавказа

Рис. 6. Откосные обвально-осыпные явления

техногенного (антропогенного) характера в горных условиях Средней Азии

Тем самым, при устройстве выемки горной дороги верхний откос приводится в неустойчивое состояние, в результате чего происходит процесс обрушения скальной породы на дорогу в виде обвально-осыпного явления, создающего ЧС для транспортных средств на первом этапе антропогенного (техногенного) влияния на природную среду.

На втором этапе, при ликвидации последствий оползня, обвала, осыпи и др., в процессе расчистки дороги от обвальных масс, обычно с нарушением правил производства работ, указанная масса сбрасывается на нижний откос, где крупные обломки и частицы попадают в поверхностный водный источник, загромождая русло и нанося ущерб ихтиофауне, а мелкие фракции располагаются на откосе, являясь потенциальным продуктом усиления и развития селевого потока, создающего аварийную опасность по дороге на нижних горизонтах при наводнениях и селевых выносах.

Определенный риск для дороги создают оползневые явления, т.е. процессы относительно медленного сползания значительных массивов несвязанного грунта по плоскостям скольжения.

Скользящие смещения грунтовых масс по склону под действием силы тяжести, вызванной геоморфологическими, геологическими, гидрогеологическими, климатическими, геомеханическими и антропогенными факторами, называются обобщенно процессами оползневых явлений. Предупреждение оползневых явлений является важным вопросом для безопасного функционирования ДТК в горных условиях.

Следует отметить, что по вопросам оползневых явлений в отечественной и зарубежной литературе, посвящено достаточное количество публикаций. Однако работ, посвященных их взаимодействию с дорожно-транспортным комплексом и созданию опасных условий для дорожного движения очень мало. Следует обратить внимание и на создание опасных условий движения транспортных средств при техногенном нарушении склона. Наиболее часто антропогенно-техногенное воздействие на склон проявляется при открытых разработках выемок, при строительстве горных

транспортных артерий гидротехнических каналов, горных карьеров, туристических и промышленных комплексов и др.

Прогнозирование поведения оползневого массива - один из главных моментов при выборе варианта прокладки транспортной артерии. Проблема прогнозирования процесса оползневой активизации массивов на склонах имеет немаловажное значение и в управлении ДЭБ, поскольку в результате профилактических мероприятий можно избежать катастрофическое развитие явления.

Наблюдения показывают, что при проектировании и строительстве дорог мало внимания уделяется защите дороги от оползней с верхнего откоса, что зачастую является причиной проявления ЧС (ДТП), вызывающих определенную озабоченность эксплуатационной службы горной дороги.

Следует признать неудачными

конструкционные решения по защите от откосных явлений часто применяемые бетонные стены из блоков, используемые на горных дорогах.

Пазухи этих стен быстро заполняются осыпным материалом и, по сути, конструкция перестает работать после первых же сползаний грунта, создавая дополнительную трамплин-площадку для обвалов, создавая опасные условия для движения транспортных средств (рис. 7).

Рис. 7. Слабоэффективная конструкция защиты от

обрушительных процессов склоновых явлений на дорогу и транспортные средства

Кроме склоновых и откосных явлений, происходящих выше оси дороги, нами разграничены и явления на нижнем склоне -именуемые как «нижнесклоновые» явления. Их выделение в отдельную группу обосновано тем, что причины возникновения, дальнейшего развития и характер воздействия на дорогу, транспортные средства и природную среду не однозначно по сравнению с другими группами верхнесклоновых и откосных явлений. Разрушительные процессы нижнесклоновых явлений также следует классифицировать как источники угроз ЧС природно-техногенного характера.

Результаты работы:

1. Впервые делается попытка исследования важности вопроса взаимодействия дороги и окружающей среды в горных условиях.

2. Впервые составлена идентификация

опасностей (рисков) с выявлением значимых неблагоприятных и обрушительных процессов склоновых явлений и их воздействия на

транспортные сооружения, АТС и природную среду.

3. Впервые составлена и систематизирована спецификация склоновых явлений по характеру их воздействия на дорогу и расположения их относительно оси транспортного сооружения.

Выводы:

1. Дорога в горных условиях подвергается активному воздействию со стороны окружающей природной среды по сравнению с равнинными условиями.

2. Склоновые явления являются источником создания рисков природного и техногенного характера создающие ЧС (ДТП), защита дороги от которых, является важной и актуальной проблемой транспортной науки и практики.

Литература

1. Кортиев Л.И. Склоновые явления опасны и с низовой стороны // Автомобильные дороги.- 1988, №10. -С.7-9.

2. Трофименко Ю.В., Евгеньев Г.И.. Экология: Транспортное сооружение и окружающая среда.- М.: Академия, 2006.- 400 с.

3. Кортиев А.Л. Аварийная опасность от защитных сооружений на горных дорогах. СПб. Мир дорог, 2008, №36.- С.25-26.

4. Кортиев Л.И. Транскам. Владикавказ: Ирыстон, 2000.- 332 с.

5. Кортиев Л. И. Строительство транспортных

коммуникаций и оценка их воздействия на ландшафты. Научная мысль Кавказа, Ростов-на-Дону: Из-во

СКНЦВШ. 2003. №11. - С.102-105.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт

FEATURES OF CO-OPERATION ROAD OF A TRANSPORT COMPLEX AND NATURAL ENVIRONMENT IN MOUNTAIN TERMS AND ESTIMATION OF RISK OF NATURAL AND TEKHNOGENNOGO CHARACTER AT EXTRAORDINARY SITUATIONS L.I. Kortiev, A.L. Kortiev

In the article material is expounded on research of co-operation dear with transport vehicles and natural environment in mountain terms. A mountain natural environment is presented the cut up mountain relief with the slope phenomena as landslides, settle, avalanches and other, which create the risk of natural and tekhnogennogo character for a road, artificial buildings, vehicles and for the most natural environment. Risks accordingly create extraordinary situations and for determination of their scale their quantitative estimation is done

Key words: slope phenomena, natural and technological risks, road environmental safety