Методологическое обеспечение экологической безопасности строительства на урбанизированных территориях, подверженных воздействию оползневых процессов

вестник 3/2012

БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ГЕОЭКОЛОГИЯ

УДК 502:71 + 69.059

Е.В. Копосов

ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»

МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЮ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

Представлены результаты исследований, проведенных в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009—2011 гг.», мероприятие 2, проект № 2.1.2/9589: «Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и негативных воздействий». Объектом исследования является г. Нижний Новгород. Проанализированы проявления опасных геологических процессов на территории города в многолетнем временном разрезе. Дана оценка эффективности существующих противооползневых мероприятий. Методом фрактального анализа смоделирована оползневая активность на предстоящие годы.

Ключевые слова: город, оползни, мониторинг, прогноз, предупреждение.

На территории Нижнего Новгорода, разделенной реками Окой и Волгой на низменную заречную часть и возвышенную нагорную, проявляются различные виды опасных геологических процессов (ОГП): в заречной части развиты карст, подтопление, заболачивание; в нагорной части — оползни, овражная эрозия, подтопление. Из перечисленных процессов наиболее опасными являются карст и оползни. Подготовка этих процессов идет в глубине земли, признаки предстоящего проявления часто отсутствуют, основные смещения происходят внезапно и быстро, на застроенных территориях это многократно приводило к авариям со значительным ущербом. Овражная эрозия, заболачивание, подтопление развиваются более медленно, а главное, их развитие наблюдается визуально. Коэффициент пораженности перечисленными процессами по отдельным участкам территории города достигает 0,20...0,50. Особенно в этом отношении выделяется высокий Окско-Волжский склон, современные долины малых рек, ряд участков в Автозаводском и Сормовском районах заречной части [1—3]. Защита территории от ОГП и оценка эффективности работы инженерных сооружений важна для обеспечения экологической безопасности городской застройки и систем жизнеобеспечения города.

Факторы-условия на территории нагорной части города остаются неизмени-мыми и благоприятными для развития оползневого процесса: предельная крутизна склонов 8° и выше — для образования оползней 2-йгруппы, 15° и выше — для образования оползней 1-й группы; тонкослоистая толща коренных пород, значительно теряющих свои прочностные свойства при замачивании и трещиноватости; широкое развитие лессовидных суглинков и супесей, которые могут мгновенно разжижается и смещаться в виде грязевых потоков, наличие в разрезе прослоев глин, слабосцементированных глинистых мелкозернистых и тонкозернистых песчаников

и алевролитов с низкими прочностными характеристиками; большое количество водоносных слоев, разгружающихся в четвертичные отложения.

По результатам проведенного комплексного обследования оползневых склонов и инженерных сооружений было установлено, что существующие берегоукрепле-ния защитили Окско-Волжский склон от речной эрозии, предотвратили развитие оползней 2-й группы в нижней части склона, связанных с подмывом его основания, повысили общую устойчивость склона. Однако, учитывая неблагоприятные факторы-условия склона, следует предполагать возможность развития оползней 1 и 2-й групп на его значительном протяжении.

Дренажные штольни, сооруженные на Окско-Волжском склоне, справились с поставленной перед ними задачей. На участке склона от Волжской лестницы до трамплина оползни практически прекратились. На Окском склоне штольни также были эффективны. Однако в последние годы штольни не ремонтировались, количество отводимых ими вод уменьшилось и роль их, как защитных сооружений, значительно понизилась. На остальных участках Окско-Волжского склона, в долинах рек Ковы и Рахмы, по бортам оврагов оползни, связанные с подъемом уровня подземных вод в весенний период, будут по прежнему иметь место.

Климатические условия (атмосферные осадки, глубина промерзания, температурный режим в период оттаивания грунтов) являются одним из факторов-процессов, влияющих на интенсивность развития оползней 2-й группы. Теплое межлед-никовье, к которому относится современный период, будет продолжаться сотни, а возможно тысячи лет. При этом содержание СО2 в атмосфере будет нарастать, а следовательно, будет увеличиваться и количество выпадающих атмосферных осадков, что непосредственно повлияет на возникновение оползней 2-й группы. Устройство лотков-перехватов, ливневых коллекторов снижает количество талых и дождевых вод, стекающих на поверхность склона. Этими мерами можно значительно уменьшить количество оползней, связанных с инфильтрацией атмосферных осадков, а также количество растущих промоин.

Деятельность человека может влиять как положительно, так и отрицательно на устойчивость склонов. В 50—60 гг. ХХ в. она была одним из основных оползнеобра-зующих факторов на Окско-Волжском склоне. Склон был застроен на значительном протяжении (поселки Парковый, Слуда, Красная Слобода, Кошелевка, Печеры). В его пределах производились подрезка грунта при строительстве, раскопки под огороды, устраивались запруды для поливки и т.д. Массовая активизация оползней в 1966 г. привела к необходимости выноса городской застройки за пределы склона и срочного проведения различного рода защитных мероприятий. В 70—80 гг. склон в пределах упомянутых поселков и слобод был частично спланирован, иногда террасирован, на отдельных участках построена ливневая канализация. В начале ХХ! в. в пределах склона и в прибровочной оползневой части плато вновь стали размещаться объекты городской застройки без выполнения необходимых защитных мероприятий. Овраги засыпаются без прокладки водосборных коллекторов. В результате формируется антропогенный водоносный горизонт, вызывающий подтопление подземных частей зданий на окружающей территории и загрязнение малых городских рек и источников. Возможно, что в ближайшее время деятельность человека вновь станет одним из оползнеобразующих факторов.

Таким образом, развитие оползней, также как и других видов опасных геологических процессов, в нагорной части города будет продолжаться. Интенсивность их проявления будет зависеть от наличия и рабочего состояния защитных сооружений. Прорывы в системе канализационных коллекторов, проложенных через оползнеоо-пасные зоны, приводят к попаданию загрязненных стоков в р. Оку, которая является основным источником питьевого водоснабжения г. Нижнего Новгорода.

ВЕСТНИК

3/2012

Для обеспечения экологической безопасности городской застройки необходимо развитие методов прогноза ОГП. Пространственный прогноз составляется исходя из факторов-условий образования процессов, наличия защитных сооружений и проведенных защитных мероприятий. Районы предполагаемого развития оползней и других видов ОГП показаны на рис. 1. В пространственном отношении крайне неблагополучными являются участки Окского склона севернее Холодного оврага и между Лагерным и Ярильским оврагами.

Рис. 1. Пространственный прогноз развития опасных геологических процессов в нагорной части г. Нижнего Новгорода. Участки развития ОГП: 1 — оползни 1 и 2-й групп; 2 — оползни 2-й группы; 3 — линейное развитие оползней по бортам современных долин р.Рахма и Кова; 4 — оползневой процесс и овражная эрозия; 5 — овражная эрозия; 6— заболачивание; 7 — суффозия; 8 — проявления ОГП единичны; 9 — номера оврагов

Второй главной задачей долгосрочного прогноза оползней является предвидение периодов их массовой активизации. При региональном прогнозе определяется общая тенденция многолетнего хода процесса. Впервые периодичность оползневого процесса была рассмотрена Е.П. Емельяновой, отмечена связь количества оползней с солнечной активностью. В 1980-е гг. работы по прогнозу оползней выполнялись гидрорежимной партией ФГУГП «Волгогеология» (Т.С. Хромова, В.П. Полякова). Для долгосрочного прогноза оползней использовался корреляционно-регрессион-

ный метод, при котором устанавливаются корреляционные связи между прогнозируемым процессом и факторами, его вызывающими. Наилучшая сходимость прогнозных (эпигнозных) и фактических значений количества оползней была получена при методе парной корреляции со среднегодовым значениями солнечной активности в числах Вольфа Ж Коэффициент корреляции составлял 0,71при Ж < 50 и 0,73 при Ж > 50. Кроме того, было установлено, что периодичность активности оползневого процесса подчиняется 22-летнему магнитному циклу солнечной активности, доказанному Хелом [4]. При переходе одного 11-летнего цикла ко второму полярность ведущих пятен групп в обоих полушариях Солнца меняется на противоположную. В четные циклы солнечной активности интенсивность оползневого процесса уменьшается, в нечетные циклы возрастает (рис. 2).

1ПШМН1И1И1 « • (

Рис. 2. График сопоставления среднегодовых значений солнечной активности в числах Вольфа и годового значения оползней:

-Фактические значение солнечной активности;

^ ^ Фактическое количество оползней (Окско-Волжский склон);

-------Прогнозное значение солнечной активности на 1998—2006 гг. и прогнозное за 1964—1998 гг.;

----------Эпигнозное количество оползней за 1964—1993 гг. и прогнозное на 1994—2006 гг.;

----------Фактическое количество активных оползней за 1996—2001 гг. (уч.11 кат. в долине р. Старка);

- Эпигнозное и прогнозное количество активных оползней на 1996—2006 гг. (уч.11 кат. в долине

р. Старка)

вестник

3/2012

В 2010 г. работы по долгосрочному прогнозу оползней были продолжены в ННГАСУ Сведения о количестве активных оползней за 1987—2010 гг. были предоставлены Приволжским региональным центром Государственного мониторинга состояния недр, сведения по солнечной активности за 1992—2010 гг. — Пулковской обсерваторией.

Анализируя данные, можно видеть, что ритмичность в активности оползневого процесса за период 1987—2010 гг. сохраняется, хотя менее выражена, но сходность прогнозного (эпигнозного) и фактического количества оползней явно не удовлетворительная. Последнее может быть связано с объективной и субъективной причинами. Возможно, влияние на активность оползневого процесса оказывают более продолжительные циклы солнечной активности, в частности 80...90-летние. Конец такого 3-го цикла приходится на период 1976—1986 гг. Далее начинается 4-й цикл, который характеризуется менее выраженной ритмичностью активности процесса и пониженной зависимостью количества оползней от значений солнечной активности. Субъективная причина, возможно, кроется в неверном определении активности ранее образовавшихся оползней.

Для решения данной задачи были проведены исследования методом фрактального анализа временных рядов данных с оценкой возможности прогнозирования развития оползневых процессов. При этом активность оползневого процесса моделируется суммой регулярной и флуктуирующей частей уравнения. Рассчитанные прогнозные (эпигнозные) значения по этому методу показаны на рис. 3.

Рис. 3. Совместный анализ данных солнечной и оползневой активности

Оползневая активность F(T) моделируется следующей суммой регулярной и флуктуирующей частей:

F

где регулярная часть характеризует периодическое изменение солнечной активности с периодом 21 год, а флуктуирующая часть соответствует случайным отклонениям процесса от периодических колебаний. Регулярная часть имеет следующий вид:

f

где a = (F (T )} = 30,91; b = std (F (T )) = 16,8; ф = 12,9.

При этом параметры периодического процесса найдены из статистического анализа доступных данных по оползневой активности. Фаза ф определена методом

оптимизации среднеквадратичного отклонения.Флуктуирующая часть получена вычитанием регулярной части из основного процесса.

Если принять во внимание полученную закономерность активности оползневого процесса по циклам солнечной активности, то 24-й цикл (2008—2019 гг.) будет характеризоваться пониженным количеством активно развивающихся оползней, хотя в отдельные годы возможно количество активных оползней выше среднемно-голетней нормы (более 30).

Библиографический список

1. Копосов Е.В., Копосов С.Е. Геоэкологическая оценка техногенного загрязнения подземных вод в карстовых районах : монография. Н. Новгород : ННГАСУ, 2010. 164 с.

2. Копосов Е.В., Гришина И.Н., Ронжина Ю.В. Методические основы оценки формирования подземного стока в зоне влияния крупных равнинных водохранилищ // Приволжский научный журнал. Н. Новгород : ННГАСУ, 2010. №1(13). С. 157—164.

3. Копосов Е.В., Гришина И.Н., Ронжина Ю.В. Основные факторы, определяющие фильтрационные свойства горных пород // Приволжский научный журнал. Н. Новгород : ННГАСУ, 2010. №1 (13). С. 164—171.

4. Копосов Е.В., Гришина И.Н. Геоэкологическое исследование процессов подтопления на территориях крупных промышленных центров // Инновации. М., 2009. № 3 (125). С. 39—40.

Поступила в редакцию в феврале 2012 г.

Об авторе: Копосов Евгений Васильевич — доктор технических наук, профессор, ректор, заведующий международной кафедрой ЮНЕСКО «Экологически безопасное развитие крупного региона — бассейна Волги», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», Россия, 603950, Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, (831) 43402-91, факс: (831) 430-53-48, koposov@nngasu.ru.

Для цитирования: Копосов Е.В. Методологическое обеспечение экологической безопасности строительства на урбанизированных территориях, подверженных воздействию оползневых процессов // Вестник МГСУ 2012. № 3. С. 138—144.

E.V. Koposov

METHODOLOGICAL SUPPORT OF ECOLOGICAL SAFETY OF CONSTRUCTION WORKS IN URBAN LANDS EXPOSED TO LANDSLIDES

The article presents the findings of the research performed within the framework of Analytical Agency-Level Target-Oriented Programme entitled Development of the Research Potential of Higher School in 2009—2011", Action 2. Project 2.1.2/9589 is entitled Development of Scientific Foundations and Technologies of Protection of Urban Territories from Natural and Anthropogenic Disasters and Negative Impacts. Nizhny Novgorod was selected as the object of research. Manifested dangerous geological processes underway in the city are analyzed in the long-term run. The article demonstrates that the worst hazard comes from the landslides that can destroy the life sustenance system of the city, including its water supply, central heating and other systems. Assessment of efficiency of existing landslide prevention measures is also provided. Dependence of landslide phenomena on the cycles of the solar activity is proven. The landslide development pattern for the coming years is simulated through the employment of the fractal analysis method.

Key words: city, landslides, monitoring, forecast, warning.

References

1. Koposov E.V., Koposov S.E. Geoekologicheskaya otsenka tekhnogennogo zagryazneniya podzemnykh vod v karstovykh rayonakh [Geoecological Assessment of Technogenic Pollution of Underground Water in Karst Regions]. Monography. Nizhny Novgorod, NNGASU, 2010, 164 p.

2. Koposov E.V., Grishina I.N., Ronzhina Yu.V. Metodicheskie osnovy otsenki formirovaniya podzemnogo stoka v zone vliyaniya krupnykh ravninnykh vodokhranilishc [Methodical Fundamentals of Assessment of Groundwater Runoff in the Zone of Influence of Major Water Storage Basins]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Privolzhsky Scientific Journal], Issue 1 (13), Nizhny Novgorod, 2010, pp. 157—164.

becthmk 3/2012

3. Koposov E.V., Grishina I.N., Ronzhina Yu.V. Osnovnye faktory, opredelyayushchie fil't-ratsionnye svoystva gornykh porod [Basic Determinants of Filtration Properties of Rocks].Privolzhskiynauchnyy zhurnal [Privolzhsky Scientific Journal], Issue 1 (13), Nizhny Novgorod, 2010, pp. 164—171.

4. Koposov E.V., Grishina I.N. Geoekologicheskoe issledovanie protsessovpodtopleniya na territo-riyakh krupnykh promyshlennykh tsentrov [Geoecological Research of Impoundments of Major Industrial Centres]. Moscow, Innovatsii [Innovations], Issue 3 (125), 2009, pp. 39—40.

About the author: Koposov Evgeniy Vasil'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair of UNESCO International Department of Ecological Development of the Volga River Basin, Rector, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), 65 Il'inskaya Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russia; koposov@nngasu.ru; 8 (831) 434-02-91; fax: 8 (831) 430-53-48.

For citation: Koposov E.V. Metodologicheskoe obespechenie ekologicheskoy bezopasnosti stroitel'stva na urbanizirovannykht erritoriyakh, podverzhennykh vozdeystviyu opolznevykh protsessov [Methodological Support of Ecological Safety of Construction Works in Urban Lands Exposed to Landslides]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 138—144.