и методах ее
Мокрицкая Т.П.
Анализдинамики геологической среды в условиях техногенных воздействий — актуальнаяпроблема. Изучение изменений геологической среды под влиянием техногенныхвоздействий во времени — одно из средств разработки методики оценкиустойчивости. Геологическая среда Криворожского железорудного бассейнаподвергается интенсивному техногенному воздействию. По оценкам специалистовобъединения Укрюжгеология, состояние геологической среды близко ккатастрофическому. Крупнейшей в Украине является природно техническаялитосистема Криворожского металлургического завода (ПТЛ КМЗ).
Привыполнении настоящей работы автор придерживался основ теории изменчивости,концепции множественности форм устойчивости, понятий об устойчивости(геологической) среды изложенных в работах Бондарика Г.К., Гродзинского М.Д.,Рудько Г.И. Изучена динамика исторического центра предприятия. Обработанырезультаты 67-летних инженерно-геологических изысканий. В работе изученовлияние физических воздействий механического и гидродинамического подклассов.Показателями воздействий приняты интервальные (безразмерные) оценки и точечные.Первые характеризуют относительную площадь воздействий в долях от площадкиподсчета. Это: коэффициент антропогенности ландшафта Sa (Федотов В.И., 1985),коэффициент относительной площади транспортных магистралей SL, коэффициентлокализации техногенных грунтов SMT, коэффициент относительнойраспространенности зоны техногенного обводнения SMO. Вторые (абсолютные — мощности техногенных грунтов и обводненной толщи, уровень грунтовых вод и др.)привлечены к множественному корреляционному анализу. Относительный характербезразмерных показателей не является препятствием для количественной оценкипрямых техногенных воздействий. Различная интенсивность механическихвоздействий учтена при выборе показателей и обосновании частных шкал. Каждыйпоказатель характеризует интенсивность техногенного воздействия определенноговида. Количественная оценка динамики техногенных воздействий осуществленакартографическим методом, способом картограмм. Площадь и форма площадкиподсчета (1 км кв, квадрат) близка к параметрам природных бассейнов первогопорядка. Период 1933 2000 годов разделен на отдельные стадии, различающиесяинтенсивностью техногенного воздействия. Интегральный показатель техногенныхвоздействий рассчитан как среднее по каждой из площадок на I — IV стадиях.
Порезультатам изучения фондовых материалов, публикаций Н.П.Семененко (1972), А.А.Гойжевского (1981), Ю.Д.Шковыры (1976), К.Ф. Тяпкина (1999) установленырегиональные факторы инженерно геологических условий. Территория расположена взоне морфоструктурного узла, на границе Криворожско — Кременчугского палеорифтаи Приднепровского палеосвода. Геологическими параметрами определены состав,свойства и условия залегания стратиграфических горизонтов плейстоцена; условияфункционирования техногенного водоносного горизонта, морфометрическиепоказатели бассейновых систем. Динамика среды охарактеризована моделямиразвития процессов: подтопления, уплотнения, линейной эрозии, деградациипросадочных свойств. Установлено, что наиболее объективным является показательSMO, который соответствует изменению консистенции грунтов в объеме зоныаэрации при данной конструкции фундаментов и значениях плотности застройки.Наблюдается соответствие зоны обводнения ( максимум SMO ) и техногенноговоздействия ( Sa) в случае квазистационарного режима ПТЛ.
Дляизучения процессов уплотнения на элементарном уровне выполнено моделированиеметодом конечных разностей (по Флорину Н.А.). Рассмотрено одномерное уплотнениегрунтового основания при переменной нагрузке (средние условия). Моделированиевыполнено для оценки состояния оснований группы длительно функционирующихсооружений прокатного цеха. Предполагалась фильтрационная консолидацияоснования при подтоплении (Тер Мартиросян З.Г., 1990). При одномернойпостановке ползучесть скелета не учитывалась, влияние защемленного газа учтено.Установлен сложный характер распределения напряжений в активной зоне.Наблюдается миграция ослабленных и уплотненных прослоев. В 1980-2000 годыпроизошла перестройка структуры зоны. При оптимистическом сценарии(стабилизации подтопления) к 2010 году произойдет только частичная стабилизациянапряженно-деформированного состояния.
Начальнаяпросадочность массива рассматривается как количественная характеристика константности,меняющаяся — пассивности. Просадочность характеризуется величиной суммарнойпросадки по разрезу (Трофимов В.Т., 1994г.). Рассчитаны обобщенные значения,характеризующие суммарную просадку в пределах заданной площадки подсчета(которая близка к площади бассейна первого порядка и блока в зоне субширотногоразлома). Длительность деградации просадочных свойств (более 60 лет)характеризует буферность системы, сокращение интервала значений суммарнойпросадки по разрезу на каждой из стадий следствие переходов в рамкахинварианта. Обводнение в зоне максимумов привело к различной по режимудеградации просадочных свойств, что определило приращение эрозионных форм.Различие режима просадочных деформаций связано со способностью эрозионныхсистем к саморегуляции. Изменение пространственных закономерностейраспределения свойств водовмещающего бугского горизонта полностью подтверждаетэту зависимость. Статистически подтвержденная взаимосвязь указанных процессовпредставляет цикл. Так, коэффициент множественной корреляции градиентовлинейной эрозии (III стадия) и градиентов суммарной просадки (II и III стадия)равен 1,0. Частный коэффициент 0,429, значим. Градиенты линейной эрозии зависятот градиентов суммарной просадки на предыдущей стадии (r = 0.498, значим). Незначима корреляционная связь между градиентами УГВ, градиентами Sa и ростомлинейной эрозии. Связь между градиентами линейной эрозии и приращениемлокализованных воздействий техногенных грунтов прямая. Отрицательный результатполучен при анализе статических распределений показателей техногенноговоздействия и густоты эрозионной сети. Несоответствие техногенных воздействий илинейной эрозии в статическом аспекте, выборочное соответствие градиентов — следствие конформности функциональных структур подсистем ПТЛ. В данном случаекорреляционные отношения являются значимыми, что подтверждено проверкойзначимости коэффициентов корреляции, хотя, несомненно, заниженными.
Важнейшейформой устойчивости геологической среды является восстанавливаемость, чтоподтверждается закономерными изменениями свойств горизонтов, бассейновых системнизших порядков, развития обводнения, деградации просадочных свойств массива.Зона транзита оказалась функционально устойчива при техногенных воздействиях.Увеличение порядков бассейновых систем сопровождается слабым ростомморфометрических показателей ЭМЕ (длин тальвегов и площадей бассейнов первогопорядка). Приуроченность куполов техногенных вод к областям размыва — следствиефункциональной восстанавливаемости. Достижение предела восстанавливаемостиуказывает на переход в другую локально-устойчивую область, на проявлениеорбитальной пластичности (Гродзинский М.Д.). Доказательством существованияорбиталей является цикличность взаимосвязи просадочного уплотнения и линейнойэрозии (см. выше результаты сплайн-корреляционного анализа). Посколькувосстанавливаемость просадочности невозможна, реализация потенциальныхдеформаций (IY стадия) сопровождается выходом за рамки инварианта. Подинвариантом понимается восстанавливаемость — реализация пары потенциальновозможных процессов объемных изменений при техногенных воздействияхмеханического и гидродинамического подклассов. Одновременно произошлоформирование мощной обводненной зоны, распределения свойств измененыповсеместно, корреляционные и регрессионные соотношения нарушены, высокавероятность отказов за счет перестройки зон уплотнения элементарных ПТЛ. Дляненарушенных техногенным воздействием условий для каждого из стратиграфическихгоризонтов в пределах активной зоны характерно соответствие распределенийсвойств рельефу кровли, т.е. сингенетическим условиям. Активная реакциясопровождается изменением пространственных закономерностей распределениясвойств, четко выраженной зависимостью от зоны разломного нарушения.Преодоление инертности элемента наступает после ликвидации просадочных свойств;восстанавливаемости после техногенного преобразования всей областивзаимодействия, когда свойства не зависят от условий залегания, палеорельефа идругих геологических факторов. Во времени реакция горизонтов не совпадает.Введен коэффициент дискретности геологической среды на локальном уровне.Величина коэффициента соответствует суммарной за время формирования элементов(горизонтов) густоте горизонтальной расчлененности. Сходимость коэффициентадискретности и густоты горизонтального расчленения на III стадии естьдоказательство перехода от инертности к восстанавливаемости в масштабе ПТЛ КМЗ.Следовательно, оценка кризисных состояний подсистем корректна, если выполненапо соответствию эмерджентной восстанавливаемости (как резерва функциональнойунаследованности) техногенному воздействию подобной природы. Задачей являетсяустановление барьеров, переход через которые свидетельствует о переходе квосстанавливаемости другого элемента (горизонта) или подсистемы. Для изучаемогочастного случая взаимодействия геологической среды и техногенных воздействийтакой барьер определен. Значение интегрального показателя, соответствующее узлусплайн-регрессионной линейной модели, определяет изменение зависимости междуинтенсивностью техногенных воздействий и реакцией массива, обозначает точкуперехода за пределы элементарного цикла. Модель механической (локальной)устойчивости геологической среды представлена как модель деградациипросадочности при техногенном воздействии. По результатам множественногокорреляционного анализа (зависимости суммарной просадки от частных иинтегрального показателей техногенных воздействий) доказана лучшая корреляциясо значениями интегрального показателя. Коэффициент парной корреляции r равен0,639, значим.
Модельмеханической устойчивости выражена уравнением:
Ssl=-0.4203*It+0.1904; Ssl=0.0928*It+0.0187
гдеSsl- значение суммарной просадки, рассчитанное способом картограмм за пределамилокальных сфер взаимодействия;
It- среднее интервальных оценок техногенных воздействий. Модель значима,средневзвешенная ошибка аппроксимации составляет 0,298, узел сплайна равен0,409. Линейный характер взаимосвязи обнаруживается вне зависимости от способарасчета показателя. Проверено несколько вариантов расчета интервальныхпоказателей и интегрального. Линейная связь суммарной просадки и интегральногопоказателя — аналог механической устойчивости геологической среды ктехногенному воздействию, следствие упругих объемных деформаций. Коэффициент,модуль, — характеризует устойчивость в области допустимых измененийсопряженных, парагенетически взаимосвязанных процессов. Оценку механическойустойчивости массива можно производить до критических значений интегральногопоказателя техногенных воздействий 0.409, когда восстанавливаемость непреодолена. Физический смысл узла состоит в ограничении допустимых измененийизохорно изотермического потенциала или области локального равновесия ПТЛ. Прибольших значениях механическая (локальная) устойчивость среды в области упругихобъемных деформаций обеспечена быть не может, необходимы другие критерии.Аналогично сложному характеру деформирования объема сплошной среды во времени,в пределах ПТЛ локального уровня также возможны одновременно развивающиесянеупругие изменения объема системы. Такие изменения, по аналогии, можно отнестик пластическим как следствию химических или тепловых взаимодействий.Следовательно, существующая временная последовательность развития реальныхинженерно-геологических процессов должна зависеть от термодинамическихпараметров системы и может быть определена.
Природно-техногеннаялитосистема КМЗ может рассматриваться на начальный момент времени как неизолированная гетерогенная закрытая локально-равновесная система 2 типа(Королев В.А.). В этом случае dm=0, приращения энтропии за счет внутреннихпроцессов близки к нулю, идут почти обратимые процессы. Данный тип близок кизолированным системам. Для изолированной системы характерно равенство нулюприращений объема за счет внутренних процессов и постоянство приращений за счетвнешних воздействий. Линейный характер объемных приращений системы (следствиепросадочных деформаций) при техногенном воздействии не противоречит свойствамизолированной системы. Рост линейной эрозии сопровождается увеличениемпотенциальной энергии системы за счет увеличения энергии рельефа, а ликвидацияпросадочных свойств уменьшением. Т.е. в области локально равновесногосостояния, ограниченного по узлу сплайна, потенциальная энергия будетстремиться к начальному состоянию. Реализация просадочного уплотнения являетсясамопроизвольным процессом, так как уменьшение суммарной просадки обозначаетуменьшение изохорно-изотермического потенциала или механической работы, которуюсистема может совершить в области локально равновесного необратимого процесса.Градиент суммарной просадки характеризует выполненную работу, превышениекоторой приводит к изменению изохорно изотермического потенциала dF, так какT=0, если пренебречь изменением температуры. Система равновесна при условиивыполнения механической работы, которая в нашем случае соответствует работе поразвитию линейной эрозии. Работа над системой выражается в уменьшении объемаиз-за просадочного уплотнения (умножение отрицательного градиента наотрицательный механический потенциал дает положительную работу), а работасистемы (механическая отрицательная) направлена на увеличение дискретности, чтопредставляет пример отрицательной обратной связи. Градиент просадки равенпотоку обобщенной координаты объемных изменений, а градиент горизонтальнойрасчлененности ее производству. Так как фундаментальным свойством обобщеннойкоординаты является сохраняемость, что выражается в частичном восстановлениипотенциальной энергии, то реализация просадочных свойств обозначает нарушениеизолированности (закрытости) системы или, иначе, невыполнение условия оравенстве нулю приращений обобщенной координаты объемных изменений системы.
Таккак представляют интерес не абсолютные значения свободной энергии, а ихизменение, возможна количественная оценка максимальной теоретическоймеханической работы системы как произведение величины давления, при которомопределен коэффициент относительной просадочности на значение суммарнойпросадки (в прогнозных целях). Уравнение позволяет рассчитать теоретическую исовершенную работу равновесных переходов на любой из стадий, в дальнейшем — определить термодинамическое условие равновесности. С другой стороны, локальноеравновесие геологической среды обеспечивается в области докритических значенийинтегрального показателя. Превышение интегрального показателя на любом уровнебудет сопровождаться работой dA, направленной на химические и кинетическиевзаимодействия соответствующего уровня в системе. Следовательно, процессысуффозии, набухания могут сказаться и сказываются на состоянии локальной системыв целом после завершения деградации просадочных свойств. Противоречий междуполученными выводами и опытом нет. Следует отметить, что анализ и прогноздинамики геологической среды должен сопровождаться расчетом градиентов вграницах бассейнов первого порядка или ЭМЕ. Ориентирование на границытехногенных объектов различного назначения не позволит получить данные, наосновании которых критические значения техногенных воздействий будут обоснованыреакцией среды как системы.
Дляподтверждения полученных выводов выполнена попытка количественной оценки формустойчивости геологической среды как вероятности инертности и отклонений,барьерности, буферности, чувствительности в соответствии с методическимирекомендациями Гродзинского М.Д… Снижение барьерности сопровождается ростомчувствительности. На I- III стадиях происходит замедление темпов приращенийчувствительности, на IV стадии приращения экстремальны, а на предыдущей стадиичувствительность по фактору дискретности увеличивается максимально.Дискретность результат влияния истории развития геосистемы. Следовательно,установлена зависимость локальной устойчивости от степени воздействия наформирующие область взаимодействия геологические процессы (эндогенные, в томчисле). Учитывая, что среднее значение интегрального показателя приближается ккритическому значению узла сплайна на IV стадии, выводы о возможностиопределения механической (локальной) устойчивости сплайн регрессионным анализомподтвержден. Подтверждена установленная математико-картографическими методамизакономерность в развитии этих процессов деградации просадочных свойств и росталинейной эрозии. Увеличение вероятности инертности по фактору суммарнойпросадки (деградации просадочности) сопровождается уменьшением вероятностиинертности по фактору линейной эрозии. Деградация просадочности приводит кпреодолению барьерности, экстремальному росту чувствительности возможномувыходу геосистемы в область критических состояний.
Такимобразом, выполнена веритификация показателей устойчивости геологической среды,доказана возможность и оправданность расчета показателей механическойустойчивости геологической среды, определено методами математическогомоделирования, теории надежности критическое значение области допустимыхсостояний массива просадочных грунтов ПТЛ КМЗ при техногенном воздействии.
Список литературы
1.Бондарик Г.К. Общая теория инженерной (физической) геологии. М.: Недра,1981. 256с.
2.Вопросы математической теории надежности / Е.Ю. Бардилович, Ю.К. Беляев, В.А.Капитанов и др. / Под ред. Б.В. Гнеденко. — М.: Радио и связь, 1983. 376 с.
3.Гродзинський М.Д. Стiйкiсть геосистем до антропогенних навантажень. — К.: Лiкей,-1995. — 223с.
4.Королев В.А. Мониторинг геологической среды. — М.: МГУ,1995, — 272с.
5.Гродзинський М.Д. Стiйкiсть геосистем до антропогенних навантажень. — К.: Лiкей,-1995. — 223с.
6.Рудько Г.И. Инженерно-геоморфологический и геоэкологический анализрельефообразующих процессов геодинамично активных территорий. — К.: тов. Знання,- 1996. — С.5.
7.Термодинамика грунтов: Учебное пособие / Королев В.А.- М.: МГУ.-1997.- 164с.
8.Тимофеев Д.А. Геоморфологические и палеогеоморфологические аспекты проблемыэрозии почв// Геоморфология. — 1989. — 2. — С.14 — 28.
9.ТрофимовВ.Т., Герасимова А.С., Красилова Н.С., Комиссарова Н.Н., Минервин А.В.Содержание и методика составления карт устойчивости массивов дисперсных грунтовк техногенным воздействиям// Геоэкология. — 1994. — 6. — С.91 — 107.