Инженерно-геологические изыскания

1.1. Определение, свойства, категории
природно-технических систем

Любые искусственные объекты, в том числе и сооружения, всегда взаимодействуют с окружающей их областью природной среды. Существование взаимодействий между искусственными и естественными объектами Земли требует совместного рассмотрения взаимодействующих объектов как сложных тел (систем), называемых природно-техническими системами [4]. Природно-техническая система (ПТС) — целостная, упорядоченная в пространственно-временном отношении совокупность взаимодействующих компонентов, включающая орудия, продукты и средства труда, естественные и искусственно измененные природные тела, а также естественные и искусственные поля.

Примером ПТС может служить гидроузел, в котором искусственные объекты — гидротехнические сооружения и водохранилище — взаимодействуют между собой и с окружающими их областями литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы. Взаимодействие проявляется в разнообразных геологических, гидрологических, атмосферных и биологических процессах. Компоненты природной среды, взаимодействующие с искусственными объектами, различны. Набор их зависит от класса ПТС. В одних ПТС с искусственными объектами активно взаимодействуют граничащие с ними области литосферы, атмосферы, биосферы (мелиоративные системы), в других — области гидросферы (портовые сооружения) или литосферы (подземные сооружения, котлованы и карьеры, эксплуатационные скважины).

В ходе строительства сооружений, проведения горных работ, добычи жидких и газообразных полезных ископаемых, мелиорации земель и т. д. человек всегда не только создает искусственные объекты, но и существенно изменяет свойства природной среды, в особенности свойства прилегающих областей литосферы, на которых (в которых) эти объекты размещены. В процессе указанной хозяйственной деятельности формируются и функционируют ПТС, основными компонентами которых наряду с искусственными телами являются естественные геологические тела. В функционировании таких ПТС главнейшую роль играют процессы взаимодействия между искусственными объектами и некоторой областью литосферы. Подобные ПТС называют литотехническими системами (ЛТС). Эти системы находятся в поле зрения инженерной геологии, поскольку взаимодействия (геологические) между естественными и искусственными частями — подсистемами проявляются в форме инженерно-геологических процессов. Иными словами, инженерная геология включает в круг своих объектов такие ПТС, на функционирование которых значительное влияние оказывают инженерно-геологические процессы. Помня о том, что любую ПТС характеризуют не только геологические взаимодействия, но и взаимодействия между искусственными компонентами и компонентами атмосферы, гидросферы, биосферы, в дальнейшем будем рассматривать преимущественно взаимодействия между искусственными объектами и геологическими телами. В соответствии с этим устанавливается и структура ЛТС, которая рассматривается в рамках ее подсистемы, включающей взаимодействующие между собой часть сооружения (в простейшем случае — фундамент) и прилегающую область лито­сферы. Системообразующие (эмерджентные) свойства ЛТС выявляются в инженерно-геологических, а также геолого-инженерных процессах, происходящих в искусственных объектах. Эти свойства определяют принятие решений о реализации ЛТС (например, о строительстве какого-либо объекта), учитывающего ее хозяйственную необходимость и влияние на экологию окружающей среды. ПТС являются открытыми динамическими системами. Они обмениваются массой и энергией с внешней по отношению к ним средой, их состояние изменяется в физическом времени. По временному режиму ПТС могут быть неравновесными или квазиравновесными в зависимости от стадии инженерно-геологического процесса (неустановившаяся, относительной стабилизации).

ПТС разделяются на несколько категорий (структурных уровней).

Природно-техническую систему, подсистемами-компонентами которой являются отдельное сооружение и сфера взаимодействия геологической среды с этим сооружением, следует считать элементарной (см. параграф 1.2).

Более высокой категорией является локальная ПТС, формирующаяся и функционирующая под влиянием взаимодействий комплекса сооружений (город, гидроузел, промышленный комплекс) с литосферой. Локальная ПТС состоит из элементарных, отношения которых и составляют ее структуру. Элементарные ПТС граничат с друг другом или пересекаются, так что на функционирование некоторой элементарной ПТС оказывают влияние соседние. Область геологической среды, взаимодействующая с комплексом сооружений, в большинстве случаев не имеет разрывов непрерывности, представляет собой связную область геологического пространства. Примером локальной ПТС может служить система в границах города, включающая все его сооружения, некоторую часть воздушного бассейна, реки и водоемы, фрагменты биосферы и область литосферы до глубины, в пределах которой проявляется взаимодействие с сооружениями (развиты инженерно-геологические процессы).

Следующей категорией ПТС является региональная. Подсистемами-компонентами региональной являются локальные ПТС, находящиеся в регионе, и природные геосистемы, в которые вкраплены локальные ПТС. Последние, как правило, не составляют связную область пространства и не могут непосредственно взаимодействовать между собой. Однако в пределах региона нередко проявляются не прямые, а косвенные управляющие (техноплагенные) взаимодействия. Они приводят к изменению хода естественных процессов (включая и геологические) в регионе и к возникновению инженерно-геологических (техногенных) процессов.

Таким образом, структуру региональной ПТС не определяют прямые управляющие взаимодействия, осуществляющиеся внутри границ составляющих ее локальных ПТС. Главными взаимодействиями, существенно влияющими на функционирование региональной ПТС, наряду с возмущающими природными следует считать управляющие, косвенные, иногда заранее неучтенные взаимодействия. Аналогичные соображения можно высказать и о глобальной ПТС. Некоторые сведения о ПТС различных категорий содержит табл. 1.1.

Таблица 1.1. Характеристика природно-технических систем разных категорий

Категорию ПТС определяет ее структура, а не занимаемая площадь. Например, такая элементарная ПТС, как водохранилище — сфера взаимодействия геологической среды, — может занимать площадь в сотни или даже тысячи квадратных километров. В то же время несколько отдельно расположенных сооружений, суммарная площадь которых не превышает 1–2 км2, а сферы взаимодействия не пересекаются, образуют региональную ПТС.

Элементы общей теории природно-технических систем, принципы оценки их состояний и прогнозирование функционирования рассмотрены в работе «Экологическая проблема и природно-технические системы» [5].

1.2. Элементарная ПТС, ее структура,
понятие о расчетной схеме

Элементарную ПТС, включающую отдельное сооружение и окружающую его область природной среды, на первом уровне расчленения можно разбить на подсистемы, каждая из которых будет состоять из некоторой области литосферы, атмосферы, гидросферы, биосферы и взаимодействующей с ней части сооружения. Число выделенных подсистем при этом будет соответствовать числу компонентов природной среды, взаимодействующих с сооружением. Однако, как отмечено в предыдущем разделе, применительно к решению задач инженерной геологии для элементарной ПТС имеет смысл рассматривать только ее подсистемы, состоящие из компонентов: сооружение (точнее, его часть, взаимодействующую с литосферой) и сферу взаимодействия геологической среды с сооружением (сфера взаимодействия). Структура элементарной ПТС на втором уровне расчленения зависит от отношения подсистем «сооружение» и «сфера взаимодействия». Каждая подсистема также расчленяется на взаимодействующие компоненты и, следовательно, обладает структурой, характерной только для нее. Структура подсистемы «сооружение» определяется типом и конструкцией сооружения, отношением его крупных элементов, имеющих нередко разное функциональное назначение (например, тело земляной плотины, блоки бетонной плотины, водосброс, противофильтрационный зуб, экран и т. д.). Взаимодействие этих элементов с подсистемой «сфера взаимодействия» различно. Вследствие этого структура подсистемы «сооружение» должна отражать характер, интенсивность и режим взаимодействий выделенных элементов конструкции сооружения с геологической средой.

Прежде чем рассматривать структуру подсистемы «сфера взаимодействия», следует пояснить, какое содержание вкладывается в понятие, обозначаемое этим термином. Под сферой взаимодействия геологической среды с сооружением следует понимать подстилающую (вмещающую) сооружение область литосферы, внутри которой в результате взаимодействия с сооружением развиваются инженерно-геологические процессы. Ясно, что сферы взаимодействия различных ПТС будут отличаться размером, конфигурацией и строением. По главнейшим наборам инженерно-геологических процессов можно выделить следующие типы сфер взаимодействия (СВ):

· с наземными сооружениями;

· с подземными сооружениями и горными выработками;

· с открытыми строительными выемками, котлованами, карьерами;

· со скважинами;

· с искусственными водоемами и водотоками.

Размер, конфигурация и строение СВ зависят как от типа и конструкции сооружения, наличия в нем элементов разного функционального назначения, так и от компонентов инженерно-геологических условий (геологическое, тектоническое, гидрогеологическое и геоморфологическое строение, состав, состояние и свойства грунтов, геологические процессы). В зависимости от структуры СВ, ее формы и величины выбирается методика инженерно-геологических исследований, определяется состав и устанавливаются объемы работ. Поэтому важное значение приобретает умение установить до проведения инженерно-геологических изысканий на месте постройки сооружения примерные границы СВ и в первом приближении оценить ее структуру.

Выделение СВ и определение ее структуры проводят совместно, анализируя при этом: данные об инженерно-геологических условиях; материалы проектных проработок о типе и возможных конструкциях сооружения, условиях его работы; данные предварительных расчетов инженерно-геологических процессов, которые возникнут при строительстве и в период эксплуатации сооружения.

Под структурой сферы взаимодействия геологической среды с сооружением понимают ее строение, определяемое числом, конфигурацией и величиной ее составных частей различных категорий (инженерно-геологические тела). Границы СВ зависят не только от свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий, но и от характера проектируемой деятельности, в частности от назначения сооружения, его типа и конструкции, методов строительства и эксплуатации сооружения. Вследствие этого сфера взаимодействия и составляющие ее части относятся к классу инженерно-геологических тел. Последние начинают формироваться с реализации ПТС. Однако идеально (в голове человека, в аналитическом и графическом представлении) их выделяют именно при проектировании ПТС.

Инженерно-геологическим телом называется некоторый объем геологической среды, конфигурацию и размеры которой устанавливают в соответствии с критериями, определяемыми ее свойствами, а также требованиями проводимых при проектировании сооружений расчетов инженерно-геологических процессов. Термин «инженерно-геологическое тело» — родовое понятие, используемое для обозначения разных объемов геологической среды, взаимодействующих с сооружением. К классу инженерно-геологических тел принадлежит СВ и ее части, например зона и другие более дробные части геологической среды. Выделяют инженерно-геологические тела только на основании данных инженерно-геологической разведки и только применительно к задачам проектирования конкретных сооружений.

Геологические тела существуют независимо от сооружений и природно-технических систем. Под геологическим телом понимают некоторую область геологического пространства, внутри которой остаются непрерывными те признаки или геологические параметры, на основании которых выделены границы этой области. Геологическая граница — это поверхность, при переходе через которую признак или геологический параметр терпят разрыв непрерывности. Геологические тела выделяют теми или иными методами при инженерно-геологической съемке или разведке. Об инженерно-геологических телах можно говорить только в связи с конкретной ПТС. Она определяет структуру СВ, иерархию, состав и отношения ее частей — инженерно-геологических тел разных категорий. Например, зона фильтрации воды под плотиной представляет собой инженерно-геологическое тело, которое, во-первых, начинает формироваться и функционировать только при возведении подпорного гидротехнического сооружения; во-вторых, размер, форму и характер взаимодействия тела наряду с природными геологическими условиями определяют также тип, конструкция сооружения и расчетные параметры его эксплуатации (например, конструкция подземного профиля плотины, величина напора, режим эксплуатации водохранилища).

До проведения инженерно-геологических работ на месте размещения сооружения предварительно выделяют СВ и ее зоны. Для расчетов инженерно-геологических процессов сфера взаимодействия должна быть расчленена на части — инженерно-геологические тела разных категорий, находящиеся в отношении субординации (подчиненности) и составляющие иерархически построенную систему. Иерархическая система инженерно-геологических тел предназначена для: 1) моделирования структуры СВ, на основе которого ведут расчеты инженерно-геологических процессов (уплотнения и разуплотнения грунтов в основании сооружений, фильтрации, промерзания, переработки берегов и т. д.); 2) рационального планирования состава и объемов инженерно-геологических исследований, проводимых на месте размещения сооружения (стадия рабочей документации) и при его строительстве; 3) организации системы наблюдения за режимом функционирования ПТС, цель которого заключается в измерении параметров инженерно-геологических процессов, корректировке инженерно-геологических прогнозов и разработке на основе прогнозов рекомендаций по оптимальному управлению функционированием ПТС.

Рассмотрим иерархическую систему инженерно-геологических тел, начиная с низшей категории — инженерно-геологического элемента (ИГЭ).

Инженерно-геологическим элементом следует считать инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой, статистически однородное по некоторому показателю свойств, выбираемому в каждом конкретном случае исходя из требований расчета того или иного инженерно-геологического процесса, который выполняют при проектировании сооружения. Объем и конфигурацию ИГЭ устанавливают, учитывая геологические данные и данные о типе, конструкции и технической характеристике сооружения. Это определение уточняет понятие ИГЭ, предложенное Н. В. Коломенским. При расчете осадки сооружения (величины уплотнения геологической среды в его основании) активную зону СВ следует расчленить на инженерно-геологические элементы, т. е. на инженерно-геологические тела, статистически однородные по модулю общей деформации — коэффициенту сжимаемости (рис. 1.1). При расчете фильтрации зона фильтрации должна быть разделена на ИГЭ, статистически однородные по величине коэффициента фильтрации.

Рис. 1.1. Структура зоны уплотнения (активной) сферы взаимодействия сооружения.
1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески; границы:
5 — геологические, 6 — инженерно-геологических элементов,
7 — расчетных элементов (РЭ), 8 — зоны сферы взаимодействия

Внутри СВ обычно развиваются разные инженерно-геологические процессы, поэтому одни и те же области геологической среды могут быть разделены на различное число ИГЭ в разных зонах СВ в зависимости от инженерно-геологических процессов, расчет которых ведут при проектировании ПТС. ИГЭ, относящиеся к разным зонам, могут пересекаться в одной области геологического пространства, так как различные зоны СВ, выделяемые по инженерно-геологическим процессам, как правило, не граничат друг с другом, а пересекаются. Пересечение ИГЭ означает, что один и тот же объем геологической среды одновременно принадлежит к двум ИГЭ, выделенным по разным показателям свойств. Таким образом, объем литосферы, включенный в ИГЭ, и требования к ее свойствам изменяются в зависимости от того, какое положение занимает ИГЭ внутри СВ.

ИГЭ, принадлежащие к одной зоне СВ, в ряде случаев (определяемых условиями проведения расчета инженерно-геологического процесса) объединяют в расчетный элемент.

Под расчетным элементом следует понимать инженерно-геологическое тело, представленное одной или разными горными породами, для которого по условиям расчета допускается обобщение значений показателя, характеризующего отдельные ИГЭ, или принятие показателя одного из составляющих его ИГЭ. Несколько ИГЭ объединяются в расчетный тогда, когда для них с целью осуществления принятой схемы расчета инженерно-геологического процесса можно получить одно значение показателя свойств грунтов. Это значение получают путем простого осреднения или некоторой процедуры взвешивания.

Объем и форма расчетного элемента соответствуют суммарному объему и конфигурации составляющих его ИГЭ (см. рис. 1.1). Так как объем и конфигурация ИГЭ определяются не только геологическим строением, но и особенностями конструкции и компоновки сооружения, то это положение полностью распространяется и на расчетный элемент. Критерии объединения ИГЭ в расчетные элементы зависят от зоны, в состав которой входит расчетный элемент, поскольку схемы расчетов инженерно-геологических процессов и наборы показателей свойств грунтов, используемых в расчетах, устанавливают для зон. Одни и те же грунты в одной зоне могут быть отнесены к одному расчетному элементу, а в другой — к разным. Если область пространства, относящаяся к расчетному элементу, занята одной породой, то он является гомогенным, если разными породами — гетерогенным.

Несколько расчетных элементов (или один элемент) составляют зону сферы взаимодействия. Зона сферы взаимодействия представляет собой инженерно-геологическое тело, внутри границ которого в результате взаимодействия геологической среды с сооружением развивается преимущественно один инженерно-геологический процесс, учитываемый при проектировании сооружения. Понятно, что число зон, их характер, объем, форма и взаимное расположение зависят от инженерно-геологических условий и от типа, конструкции и компоновки сооружения. Основными признаками, определяющими деление СВ на зоны, являются набор и характер инженерно-геологических процессов и схем расчета их количественных характеристик, определяющих пространственно-временной (или только пространственный) аспект прогноза.

Совокупность зон сферы воздействия и составляют собственно СВ. Сфера взаимодействия геологической среды с сооружением — инженерно-геологическое тело, которое выделяют по одному признаку. Этот признак заключается в том, что горные породы и подземные воды внутри границ СВ непосредственно или косвенно, в силу изменения природных условий, взаимодействуют с сооружением. Иначе говоря, это область литосферы, внутри которой под влиянием строительства или эксплуатации сооружения изменяется течение природных геологических процессов и развиваются инженерно-геологические процессы. Таким образом, критерием выделения СВ являются инженерно-геологические процессы.

В системе инженерно-геологических тел СВ занимает второе место, уступая области взаимодействия геологической среды с комплексом сооружений, являющейся подсистемой локальной ПТС. Область взаимодействия геологической среды с комплексом сооружений представляет собой инженерно-геологическое тело, выделяемое в тех случаях, когда сферы взаимодействия отдельных сооружений граничат друг с другом или пересекаются (части различных сфер могут занимать одну и ту же область пространства). Например, нередко пересекаются зоны уплотнения рядом расположенных сооружений, и при расчете осадок приходится учитывать влияние соседних сооружений. Таким образом, при наличии комплекса сооружений (гидроузлы, промышленные комплексы, жилые массивы и др.) рассматривают локальную ПТС и ее подсистему — область взаимодействия.

Выделение области взаимодействия геологической среды с комплексом сооружений позволяет: 1) учитывать влияние соседних сооружений (проектируемых или существующих) на ход инженерно-геологических процессов при проектировании данного сооружения; 2) осуществлять общий прогноз инженерно-геологических условий территории; 3) рационально планировать инженерно-геологические работы.

Иерархическая система инженерно-геологических тел приведена в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Классификация инженерно-геологических тел

До начала инженерно-геологической разведки на месте размещения сооружения инженер-геолог и проектировщик сообща намечают примерные контуры СВ и ее основных зон. С этой целью они анализируют имеющиеся данные о свойствах геологической среды и характеристиках проектируемого сооружения. В зависимости от структуры сферы взаимодействия геолог намечает состав и объемы инженерно-геологических работ (например, изучение деформационных и прочностных характеристик грунтов только внутри предполагаемой зоны уплотнения до глубины, определяемой положением ее нижней границы, а в контурах зоны фильтрации — фильтрационных параметров).

В процессе инженерно-геологической разведки и опробования, проводимых внутри контуров предполагаемой СВ, получают данные, необходимые для выделения геологических тел. Затем на геологические тела, выделенные в пределах площади размещения сооружений до нижней границы СВ, накладывают ту или иную систему инженерно-геологических тел, пространственная структура которой зависит от типа конструкции сооружения (рис. 1.2). В первую очередь устанавливают границы ИГЭ. Затем, если это допускается условиями расчета, объединяют ИГЭ в расчетные элементы и устанавливают их положение в пространстве. В результате данной операции получают расчетную схему, которую следует рассматривать как модель строения зоны СВ.

Рис. 1.2. Последовательность выделения геологических (а)
и инженерно-геологических (б, в) тел при составлении расчетной схемы
зоны уплотнения грунтов в основании сооружений.
1 — лёссовые породы; 2 — глины; 3 — суглинки; 4 — тонкозернистые пески;
5 — среднезернистые пески; границы: 6 — монопородных геологических тел третьего
уровня, МГТ-3; 7 —ИГЭ; 8 — РЭ; 9 — зоны СВ (зоны уплотнения)

Под расчетной схемой понимают вертикальное сечение зоны СВ, проведенное в направлении, требуемом условиями расчета инженерно-геологического процесса, на котором показаны: границы зоны и расчетных элементов, расчетные значения показателей свойств грунтов; нужные для расчета гидрогеологические данные (например, УГВ) и технические данные о сооружении (глубина заложения, контуры выемки и др.).

Сфера взаимодействия нередко имеет сложную структуру и включает несколько зон. Расчетные схемы составляют для каждой зоны (иногда для подзон). Следовательно, число расчетных схем не может быть меньше числа зон СВ. Набор расчетных схем следует рассматривать как модель СВ. Расчетная схема дает возможность установить границы проявления различных инженерно-геологических процессов; выбрать оптимальные методы расчета, позволяющие получить количественный пространственно-временной прогноз процесса; установить границы распространения тех значений показателей свойств грунтов, которые будут использованы в расчетах.

1.3. Формирование и функционирование ПТС,
режим функционирования,
управляющие взаимодействия

Природно-техническая система принципиально отличается от природной. Главнейшее ее отличие состоит в том, что она является управляемой (кибернетической). Управляемыми системами называются такие системы, функционирование которых обусловлено управляющими взаимодействиями. Управляющими следует считать такие взаимодействия, которыми можно распоряжаться при управлении системой и которые можно изменять с целью осуществления ее функционирования, предпочтительного по сравнению с другими возможными вариантами функционирования управляемой системы. Опираясь на данные исследований и расчетов, реализованных в прогнозе, человек заранее, еще в ходе проектирования ПТС, может предсказать изменение структуры системы в процессе ее развития во время строительства, а также структуру системы в период ее функционирования, ее режим во времени, интенсивность, скорость и характер изменения отношений между ее компонентами, изменение структуры и свойств под влиянием управляющих взаимодействий.

Таким образом, еще до реализации ПТС, на этапе проектирования, осуществляется оптимизация структуры и свойств системы и предусматриваются мероприятия, обеспечивающие оптимальное управление ее функционированием. Элементарные ПТС начинают формироваться с началом строительства или иной хозяйственной деятельности человека. Например, начало работ по вскрытию строительного котлована или даже начало работ по понижению уровня подземных вод, если вскрытие строительной выемки ведется под защитой водопонизительной системы, отвечает начальному моменту формирования ПТС. Структура и свойства элементарной ПТС изменяются в процессе строительства с изменением вида (набора), интенсивности и режима управляющих взаимодействий (с увеличением нагрузки от строящегося сооружения, изменением температурного режима, условий фильтрации и т. д.). Структуру ПТС можно считать сформировавшейся только спустя некоторое время после завершения строительства сооружения.

В режиме функционирования элементарных ПТС, так же как и в режиме природных систем, можно выделить две стадии. Первая — стадия неустановившегося режима ПТС — охватывает период от начала строительства до некоторого момента времени после его завершения. Последний момент времени отвечает такому состоянию геологической среды внутри СВ, которое характеризуется как условно стабильное. Завершение периода развития ПТС, которому свойствен неустановившийся режим, фиксируется по времени относительной стабилизацией инженерно-геологических процессов, расчет которых производился при проектировании ПТС. Например, для ПТС «промышленное здание — основание» момент времени, отвечающий завершению консолидации грунтов в основании сооружения (затуханию осадки), можно считать моментом окончания неустановившегося режима. Для ПТС «водохранилище — геологическая среда» момент завершения неустановившегося режима соответствует достижению конечной величины переработки и формированию профиля равновесия берегового склона. Неустановившийся режим ПТС характеризуется сравнительно высокими скоростями изменения структуры и свойств сферы взаимодействия с сооружением, большей скоростью и интенсивным проявлением инженерно-геологических процессов. В ходе функционирования ПТС постепенно переходит от неустановившегося режима к установившемуся, при котором инженерно-геологические процессы достигают стадии относительной стабилизации. Стадия относительной стабилизации инженерно-геологического процесса отвечает такому характеру движения ПТС, при котором режим управляющих взаимодействий становится стационарным или периодическим и естественные причины (природные процессы) начинают существенно влиять на характер взаимодействий между естественными и искусственными элементами ПТС. Так, например, режим фильтрации воды в основании плотины в стадии относительной стабилизации будет периодическим, так как он определяется уровенным режимом водохранилища.

В зависимости от характера хозяйственной деятельности формируются элементарные ПТС различной сложности, объема и режима. Их сферы взаимодействия имеют различные структуру и свойства (табл. 1.3). Строение сферы взаимодействия определяют: 1) сооружение (комплекс сооружений), его назначение, конструкция, размеры и конфигурация; 2) структура и свойства геологической среды и особенности ее движения под влиянием возмущающих и управляющих взаимодействий; 3) способы ведения строительных (горных) работ, в частности технологию добычи полезных ископаемых. Назначение сооружения, его конструкция и режим работы предопределяют набор и характер управляющих взаимодействий, а значит набор типичных для этого класса ПТС инженерно-геологических процессов.

Таблица 1.3. Типичные структуры сфер взаимодействия различных сооружений

Агентами инженерно-геологических процессов являются элементы подсистемы «сооружение», а входами подсистемы СВ — компоненты геологической среды, с которыми непосредственно взаимодействует сооружение.

Управляющие взаимодействия реализуются в ходе преобразования человеком геологической среды при строительстве сооружений, добыче полезных ископаемых, мелиорации земель.

Во всех этих видах деятельности осуществляются следующие процессы:

· разработка масс геологической среды на поверхности земли или на некоторой глубине (при устройстве строительных котлованов и выемок, строительстве карьеров, шахт, рудников, выемок подземных сооружений);

· добыча жидких и газообразных полезных ископаемых, в том числе извлечение полезных компонентов геотехнологическим способом;

· понижение (повышение) уровня грунтовых вод или пьезометрического напора;

· нагружение геологической среды в результате строительства сооружений и водохранилищ;

· увлажнение или осушение почв и пород зоны аэрации при сель­скохозяйственной мелиорациии;

· механическое уплотнение и введение различных компонентов в геологическую среду с целью изменить ее свойства (техническая мелиорация грунтов);

· теплообмен, обусловленный градиентом температур на границе подсистем «сооружение» и «геологическая среда» (учитывается при строительстве сооружений на многолетнемерзлых породах);

· колебательные движения геологической среды, вызванные работающими механизмами и взрывами.

Перечисленные процессы реализуются в виде физических, механических, физико-химических, химических взаимодействий, результатом которых являются инженерно-геологические процессы.

Главные процессы хозяйственной деятельности и взаимодействия представлены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Процессы хозяйственной деятельности и соответствующие им взаимодействия

Управляющие взаимодействия вызывают локализованные пределами СВ изменения в структуре естественных физических полей, прежде всего полей напряжений, температурного, гидродинамического, гидрогеохимического и др. В полях возникают положительные или отрицательные аномалии или даже локальные разрывы непрерывности. При этом градиенты полей резко возрастают и в областях максимальных градиентов идут процессы — компоненты инженерно-геологических процессов. Так как управляющие взаимодействия по существу идентичны возмущающим, то практически каждому природному экзогенно-геологическому процессу (ЭГП) можно найти искусственный аналог — инженерно-геологический процесс. Инженерно-геологические процессы принципиально ничем не отличаются от природных ЭГП, отличие только во внешних причинах. Инженерно-геологические процессы вызваны искусственно, ЭГП развиваются во внешней среде естественным образом.

В последние годы при технической мелиорации в ряде случаев используются искусственные материалы, не встречающиеся в природе. Это обусловливает формирование элементов СВ с существенно иными свойствами, нежели свойства естественных элементов геологической среды. Соответственно, процессы функционирования таких элементов геологической среды не имеют аналогов среди природных процессов.

Управляющие взаимодействия по отношению к пространству и времени подобны возмущающим. Они также делятся на сосредоточенные (таких подавляющее большинство) и распределенные, импульсные, периодические и непрерывные. Управляющие взаимодействия реализуются в виде процессов преобразования геологической среды, которые являются внешней причиной инженерно-геологических процессов. Энергия, затрачиваемая человеком на эти процессы, в итоге представляет собой энергию солнца или внутреннюю энергию земли (ядерная энергия).

1.4. Принципы оптимизации ПТС
и управление ее функционированием

При любой хозяйственной деятельности человек стремится улучшить производственный процесс. Это полностью относится и к процессам взаимодействия с литосферой. К числу задач оптимизации таких процессов, представляющих интерес для инженерной геологии, следует отнести следующие.

1. Планирование хозяйственного освоения территории.

2. Выбор местоположения строительных площадок или мест осуществления другой хозяйственной деятельности.

3. Обеспечение оптимальной компоновки сооружений на выбранном участке (установление мест предполагаемого строительства конкретных сооружений).

4. Оптимизация проектируемой ПТС, состоящая в оптимизации предполагаемых инженерно-геологических процессов.

5. Оптимизация работ по строительству сооружений, в частности процессов взаимодействия с геологической средой.

6. Оптимизация управления ПТС и, следовательно, оптимизация управления процессами взаимодействия ее подсистем «сооружение» и «геологическая среда».

7. Оптимизацию взаимодействия человека с геологической средой при учете влияния его хозяйственной деятельности на другие среды (проблема рационального использования и охраны природы).

Для решения перечисленных задач требуется инженерно-геологическая информация, целевое назначение которой можно пояснить следующей логической цепочкой: инженерно-геологическая информация → инженерно-геологический прогноз → оптимизация элементов будущей ПТС (и их взаимодействий) при ее проектировании, оптимизация строительства ПТС или оптимизация управления существующей ПТС в процессе ее эксплуатации. Инженерно-геологический прогноз разрабатывают на основе инженерно-геологической информации и информации технического и технологического характера (о параметрах проектируемого сооружения, составе и режиме будущих управляющих взаимодействий). Однако для выявления роли инженерно-геологической информации в процессах хозяйственной деятельности в приведенной логической схеме можно ограничиться только инженерно-геологической информацией. Данные, приведенные в табл. 1.5, поясняют отношения инженерно-геологической информации (через инженерно-геологический прогноз) с процессами проектирования, строительства и эксплуатации ПТС. Из табл. 1.5 ясно, что задачи оптимизации решаются на базе прогноза структуры и свойств геологической среды и процессов ее эволюции, а прогноз требует инженерно-геологической информации.

Таблица 1.5. Использование инженерно-геологической информации
для решения различных инженерно-геологических задач

Обычно говорят о проектировании сооружения, хотя точнее было бы говорить о проектировании ПТС. Основная цель, которую преследует проектировщик, всегда заключается в оптимизации проектирования ПТС, главным образом в оптимизации подсистемы «сооружение» (компоновка, типы, конструкции, способы производства работ).

В ходе проектирования он опирается на инженерно-геологическую информацию и информацию экономического, технического и технологического характера, учитывает свойства геологической среды (подсистемы СВ), особенности ее движения и технические характеристики (свойства) будущего сооружения. При этом обе подсистемы элементарной ПТС являются объектом проектирования. Не только сооружение «приспосабливается» по параметрам к предполагаемой СВ, но и в случае необходимости проектируется изменение свойств литосферы в границах СВ (уплотнение, осушение, закрепление откосов, устройство противофильтрационных завес и т. п.). Таким образом, геологическая среда (в рамках СВ) «подгоняется» под конструкцию будущего сооружения на основе соответствующих экономических оценок.

Предполагается, что будущая ПТС должна функционировать в оптимальном режиме, т. е. в таком, при котором процессы взаимодействия ее подсистем, реализующиеся как инженерно-геологические процессы, не выходят за рамки, предусмотренные заранее и учтенные в проекте (величины осадок, период консолидации, фильтрационные расходы и т. д.). Таким образом, сущность оптимизации ПТС при проектировании заключается в том, чтобы сооружение при заданных параметрах (мощность, объем продукции и т. д.) было наиболее дешевым и экономичным в эксплуатации и чтобы учитывались требования к охране окружающей среды (экологическая проблема). Это достигается, в частности, тем, что СВ должна иметь минимальный объем и наиболее простую структуру (набор инженерно-геологических процессов, учитываемых при проектировании, и интенсивность их проявлений должны быть наименьшими). Строительство ПТС в большинстве случаев включает процессы взаимодействия человека с геологической средой, приводящие к изменению структуры и свойств подсистемы СВ. Это процессы глубинного водопонижения, осушения, обводнения, изменения напряженного состояния геологической среды, обусловленного его разгрузкой в строительных выемках, и др. Эксплуатация ПТС тоже предусматривает оптимизацию управления инженерно-геологическими процессами. Таким образом, при проектировании, строительстве и эксплуатации ПТС имеется в виду не только собственно сооружение как таковое, а сооружение плюс геологическая среда в контурах СВ, т. е. обе подсистемы элементарной ПТС.

В последнее время все чаще дискутируется вопрос о границах сферы деятельности инженера-геолога в процессе оптимизации ПТС разных категорий, особенно в процессах управления функционированием элементарной ПТС. Последовательность операций по управлению ПТС следующая: 1)производство инженерно-геологической информации (в процессе инженерно-геологических изысканий); 2) разработка инженерно-геологического прогноза; 3) проектирование мероприятий по управлению ПТС (проектирование управляющих взаимодействий); 4) осуществление мероприятий по управлению ПТС (реализация управляющих взаимодействий).

Не вызывает сомнения, что операции 1 и 2 относятся к прерогативам инженера-геолога. Следует ли ему участвовать в проектировании меро­приятий по управлению ПТС? На этот вопрос ответим положительно. Геолог обычно значительно лучше проектировщика знает подсистему СВ, ее структуру и свойства. Он отчетливо представляет себе процессы взаимодействия подсистем ПТС (инженерно-геологические процессы), поэтому его участие в разработке мероприятий конструктивного и технологического характера по управлению ПТС не только желательно, но и необходимо. При осуществлении мероприятий по управлению ПТС инженер-геолог должен вести наблюдения за режимом функционирования ПТС и на основе полученной информации своевременно вносить предложения по корректировке управляющих взаимодействий.

1.5. Прогноз функционирования ПТС.
Проблема рационального использования
и охраны геологической среды.
Понятие литомониторинга

Ранее отмечалось, что для управления ПТС нужно располагать прогнозом ее функционирования (инженерно-геологическим прогнозом, если речь идет о СВ). Прогнозирование поведения элементарных ПТС заключается в расчете инженерно-геологических процессов теми или иными способами, рассматриваемыми в курсах «Инженерная геология» и «Механика грунтов». Здесь приводятся общие положения прогноза функционирования локальной и региональной ПТС. В региональной ПТС ее компоненты (локальные ПТС) не занимают связную область геологического пространства, поэтому ее прогноз — одновременно и прогноз инженерно-геологических условий. Мероприятия по управлению региональной ПТС являются, следовательно, мероприятиями, направленными на рациональное использование и охрану окружающей среды, в том числе геологической.

Сфера взаимодействия элементарной ПТС представляет собой комплекс инженерно-геологических тел, статистически однородных по показателям свойств грунтов, используемых в расчетах. Вследствие этого для СВ расчет инженерно-геологических процессов может осуществляться детерминированными методами. Области взаимодействия локальных и региональных ПТС, как правило, представляют собой неоднородные литосистемы, функционирование которых обусловлено разнообразными, нередко не поддающимися учету прямыми и косвенными управляющими взаимодействиями (сосредоточенными и распределенными), распределяемыми в пространстве неравномерно. Они накладываются на возмущающие взаимодействия, с которыми связан естественный геологический процесс.

В этой ситуации с целью прогноза локальной и региональной ПТС можно воспользоваться стохастическими методами. Для управляемых систем со сложным режимом функционирования в кибернетике, в рамках теории управления, разработаны методы прогноза, основанные на модели «черного ящика». Сущность модели состоит в том, что она не требует познания механизма, управляющего движением системы. Предсказать поведение системы можно, исследуя входные взаимодействия и ставя им в соответствие выходные параметры.

Прогноз поведения литосистем, составляющих область взаимодействия локальной и региональной ПТС, требует оценки входных и выходных взаимодействий в разные моменты времени. Получив данные о взаимодействиях и измерив соответствующие показатели, характеризующие литосистему в некоторый момент времени, устанавливают параметры ее состояния в этот момент времени. В многомерном пространстве параметров состояния (в пространстве состояний систем) параметры состояния (координаты) дают одну изображающую точку, описывающую состояние прогнозируемой системы в этот момент времени. Набор изображающих точек в пространстве состояний образует случайную последовательность, которую можно аппроксимировать функцией. Она называется траекторией или функцией движения системы. Инженерно-геологический прогноз сводится к экстраполяции функции движения литосистемы на заданный момент будущего времени. Траектория литосистемы, как правило, содержит неслучайную, коррелированную по физическому времени компоненту и нередко квазипериодическую компоненту. Математический аппарат прогнозирования предусматривает оценку дисперсии, вероятности и заблаговременности прогноза [5]. Рассмотренный метод применим для прогноза функционирования квазиоднородной литосистемы. Неоднородные системы, к которым чаще всего принадлежат области взаимодействия локальных и региональных ПТС, должны быть предварительно разбиты на квазиоднородные области. Результаты прогноза в этом случае представляют собой пространственно упорядоченную композицию оценок прогноза, отражающую структуру неоднородной литосистемы, определяемую отношением квазиоднородных областей [5].

Изложенное показывает, что для прогноза функционирования локальной и региональной ПТС необходимо располагать данными измерений координат литосистемы в последовательные моменты времени, т. е. данными режимных наблюдений за изменением инженерно-геологических условий в пределах границ ПТС. В предыдущем разделе отмечалось, что управление литосистемой требует информации, с помощью которой разрабатывают инженерно-геологический прогноз. Далее на основании прогноза проектируют мероприятия по управлению ПТС и, наконец, реализуют эти мероприятия в процессе управления.

Главнейшей целью проблемы рационального использования и охраны окружающей среды является оптимизация управления ПТС всех уровней. Оптимизация управления достигается в том числе и на базе прогноза инженерно-геологических условий. Прогноз требует информации о режиме функционирования литосистемы в физическом времени и о режиме инженерно-геологических условий. Получение подобной информации требует создания службы режимных наблюдений, которая (совместно с подразделениями, разрабатывающими прогноз) в литературе нередко обозначается термином «литомониторинг». Литомониторинг является составной частью, блоком мониторинга окружающей среды.

Под литомониторингом понимают систему режимных инженерно-геологических наблюдений и инженерно-геологического прогноза. Система включает подсистему режимных инженерно-геологических наблюдений и инженерно-геологического прогноза. В организационном отношении подсистема режима представляет собой организованное по типу гидрометео­службы подразделение, располагающее сетью станций, местоположение которых научно обосновано и отражает пространственную структуру ПТС. Станции ведут наблюдения за режимом инженерно-геологических условий по единой методике; представляют в научный центр одинаково обработанную стандартную информацию (заданного качества); обладают правом контроля за деятельностью организации в части осуществляемых ими процессов взаимодействия с геологической средой и соответствующими административными функциями.

Пространственно-временная структура подсистемы режима должна отражать: пространственную структуру управляющих и возмущающих взаимодействий и их временной режим; свойства геологической среды — компоненты инженерно-геологических условий, изменяющиеся в процессе взаимодействий. Режим изменения инженерно-геологических условий определяется не только режимом внешних взаимодействий (в том числе взаимодействий с искусственной средой), но и режимом взаимодействий внутри геологической среды (режимом природного геологического процесса). Вследствие этого разработка пространственно-временной структуры подсистемы режима (сети станций и методики изучения режима) представляет собой сложную проблему инженерной геологии. Решить ее возможно на основе инженерно-геологической типизации территории (выделение областей, квазиоднородных по инженерно-геологическим условиям и режиму); разработке теорий взаимодействий геологической среды с другими средами и теории временной изменчивости компонентов инженерно-геологических условий; исследования набора и характера главнейших взаимодействий, существенно сказывающихся на эволюции геологической среды. Подсистема прогноза должна представлять собой научный центр, располагающий средствами получения информации, банком режимной инженерно-геологической информации и вычислительным центром. Такой центр разрабатывает и корректирует выданные ранее инженерно-геологические прогнозы, разрабатывает рекомендации по управлению ПТС. В научно-методическом отношении он руководит подсистемой режима, выдает прогнозы и рекомендации планирующим органам и организациям, занимающимся проектированием мероприятий по рациональному использованию и охране геологической среды. Центр должен быть связан с организациями, занимающимися рациональным использованием и охраной других природных ресурсов.

В настоящее время назрела необходимость в перестройке работы специализированных подразделений экологического профиля в соответствии с научными основами организации мониторинга и управления окружающей средой.