6.1. Определение и структура инженерно-
геологической информации.
Понятие об инженерно-геологической системе
Планирование, проектирование, строительство и эксплуатация ПТС требуют разнообразной исходной информации, которую можно разделить на две группы. В первую входит информация социального и хозяйственного характера, отраженная в планах экономического и социального развития, в схемах развития и размещения отраслей промышленности и сельского хозяйства. Эту информацию условно можно назвать плановой. Ко второй группе принадлежит информация о природных условиях и ресурсах (климатических и гидрологических условиях, рельефе, геологических, в том числе и инженерно-геологических, условиях). При внестадийных проработках, планировании и на начальных стадиях проектирования ПТС главная роль принадлежит плановой информации. Она определяет вид хозяйственного использования территории, основные характеристики будущих ПТС, примерное размещение промышленных комплексов. По мере детализации процесса проектирования все большее и большее влияние на будущую ПТС оказывает информация о природных условиях, а после выбора строительной площадки главнейшей оказывается информация, получаемая в процессе инженерно-геологических изысканий, — инженерно-геологическая. Она предопределяет компоновку сооружений на площадке, их тип, основные черты конструкции и структуру будущей ПТС. При строительстве и эксплуатации ПТС также используют инженерно-геологическую информацию соответственно для корректировки рабочих чертежей и способов ведения строительных работ, а также для оптимизации процесса управления функционированием ПТС.
Продуктом любых геологических исследований, а значит и инженерно-геологических является информация о литосфере, ее структуре, свойствах, процессах ее движения (развития).
Инженерно-геологическая информация — сведения о структуре и свойствах геологической среды и процессах ее движения, отбираемые и используемые для оценки ее современного состояния и прогноза взаимодействия с другими средами (атмосферой, поверхностной гидросферой, биосферой), в том числе с искусственной средой (сооружения и другие продукты человеческой деятельности). Инженерно-геологическую информацию можно определить как сведения о свойствах геологической среды — компонентах инженерно-геологических условий — и о ее движении. Эти сведения используются для оценки современного состояния среды и прогноза экзогенных геологических процессов, включая инженерно-геологические. Инженерно-геологические исследования всегда предназначены для информационного обслуживания процессов, связанных с ПТС. Вследствие этого инженерно-геологическую информацию можно определить как сведения о геологической среде и ее движении, используемые для обеспечения оптимального функционирования природно-технических систем различных уровней, вплоть до глобального.
Данные о компонентах инженерно-геологических условий некоторой территории (точнее, области геологической среды в границах территории) взаимосвязаны, взаимообусловлены процессом ее геологического развития, включающим современные тектонические, физико-географические и хозяйственные процессы. Эти данные в совокупности составляют систему знаний о свойствах исследуемой области геологической среды, являющихся компонентами инженерно-геологических условий. Такую систему целесообразно назвать инженерно-геологической системой (ИГС). Если подходить к инженерно-геологической информации с точки зрения системного анализа, то формально ИГС можно определить как поставленное в соответствие некоторой области геологической среды конечное множество взаимодействующих и связанных предметов с фиксированными свойствами, с заданными на нем отношениями и обладающих эмерджентными свойствами. Эмерджентные, или системообразующие, выявляющиеся на ИГС в целом свойства заключаются в инженерно-геологической оценке соответствующей области геологической среды (см. параграф 3.8). Эмерджентные свойства ИГС выявляются полностью лишь в том случае, если инженерно-геологическая информация обладает требуемыми свойствами, рассматриваемыми в следующем параграфе.
Инженерно-геологическая информация как система сведений о компонентах инженерно-геологических условий обладает структурой. По времени получения инженерно-геологическая информация делится на накопленную (ретроспективную) и оперативную информацию [3]. Накопленная информация — это информация, полученная в результате проведенных ранее геологических работ, содержащаяся в литературе, архивах и в информационно-поисковых системах (ИПС). Оперативную информацию получают в процессе производственных инженерно-геологических работ (изысканий) или научных исследований. Инженерно-геологическая информация достаточно дорога (до 1–2 % от стоимости ПТС). Однако только в последние годы была осознана необходимость всестороннего неоднократного использования накопленной информации. Для этого помимо традиционных фондов (архивов) создаются банки инженерно-геологической информации, ИПС разных типов и на различных носителях.
Накопленная и оперативная информация делится на количественную и качественную. Не следует думать, что количественная информация принципиально отличается от качественной. Практически все свойства геологической среды можно представить в количественной форме. Однако не всегда желательно переводить качественную информацию в количественную. Перевод нередко сопровождается потерей части информации, а кроме того, для решения инженерной задачи часто требуется именно качественная информация (например, данные о генезисе пород или их возрасте). Отношения между качественной и количественной инженерно-геологической информацией изменяются по мере детализации инженерно-геологических работ. На начальных этапах изысканий преобладает в основном нечисленная информация, а на последующих этапах, в особенности при проведении инженерно-геологических работ на строительной площадке, на месте размещения сооружения и в ходе его строительства, большее значение приобретает численная информация.
По отношению ко времени инженерно-геологическую информацию можно разделить на информацию сингулярного и режимного характера. Сингулярная инженерно-геологическая информация включает сведения о структуре и свойствах геологической среды, о проявлениях ЭГП на момент проведения инженерно-геологических работ. Сингулярную информацию производят в процессе инженерно-геологической съемки, разведки и других разовых (сингулярных) работ. Информация режимного характера включает сведения о состоянии литосистемы в различные моменты времени. Таким образом, информация режимного характера содержит сведения об изменении структуры и свойств геологической среды, об экзогенных геологических и инженерно-геологических процессах. Такую информацию можно получить только в ходе наблюдений за режимом движения геологической среды (например, наблюдений за режимом переформирования берегов водохранилища, за режимом осадки сооружения и т. п.).
По форме представления инженерно-геологическая информация делится на описательную (текстовая часть отчетов, заключений); графическую (карты, разрезы, графики, номограммы); цифровую (показатели свойств геологической среды, параметры состояния литосистемы и пр.); аналитическую (аналитические выражения взаимосвязи свойств геологической среды, ЭГП, функции и поля геологических параметров по координатам геологического пространства и по времени). Структура инженерно-геологической информации, определяемая отношениями ее классов, представлена в табл. 6.1.
Таблица 6.1. Структура накопленной и оперативной инженерно-геологической информации
6.2. Свойства инженерно-геологической информации
Проблема оценки свойств инженерно-геологической информации, требуемой для решения конкретных прикладных и научных задач, практически не разработана. Однако она чрезвычайно важна и ее с полным основанием можно отнести к числу критических проблем инженерной геологии. В эту проблему упирается решение таких существенных вопросов методики, как объемы и виды инженерно-геологических исследований, комплекс методов, сроки проведения работ и их стоимость. Главная трудность в решении этой проблемы обусловлена тем, что объем и качество инженерно-геологической информации, требуемой для решения инженерной задачи, определяют не только свойства геологической среды — компоненты инженерно-геологических условий, но и целевое назначение инженерно-геологических работ. Компоненты инженерно-геологических условий конкретной территории являются уникальными, поэтому априори точно определить наборы методов и установить объемы инженерно-геологических работ, позволяющих изучить эти условия, затруднительно. Приходится идти по пути типизации территории, а точнее, типизации литосистем, отдавая себе отчет в том, что на этом пути инженера-геолога всегда подстерегает риск обнаружить какие-либо свойства геологической среды или процессы ее движения, не учтенные ранее и не отраженные в программе работ. Типизация территории по категории сложности инженерно-геологических условий, широко используемая для обоснования объемов и детальности инженерно-геологических работ, является очень грубым (и необъективным), хотя, следует признать, эффективным, инструментом, в какой-то степени регламентирующим объемы инженерно-геологических изысканий. Проектировщик, даже самый знающий и опытный, лишь в общих чертах представляет себе, какие сведения инженерно-геологического характера ему нужны, и почти всегда, исключая простейшие случаи, затрудняется ответить на вопрос о том, каков должен быть объем таких сведений, каковы должны быть их точность и доверительная вероятность. Инженер-геолог знает, что для проектирования ПТС нужны сведения о компонентах инженерно-геологических условий, но тоже слабо себе представляет, какая инженерно-геологическая информация требуется в каждом конкретном случае, в каком количестве и с какими точностью и вероятностью она должна быть получена, какими свойствами должна обладать.
Инженерно-геологическую информацию характеризуют такие ее свойства, как замкнутость, полнота, количество (объем), точность и доверительная вероятность. Инженерно-геологическая информация всегда описывает структуру и свойства некоторой области геологической среды, а также если она относится к динамической литосистеме — то и их изменения в течение некоторого отрезка физического времени. Поэтому имеет смысл ставить вопрос о пространственно-временных границах инженерно-геологической информации, положение которых устанавливают по признакам ее наличия (или отсутствия). Это, естественно, идеальные в мысленном отображении границы (границы в пространстве признаков). По отношению к исследуемой литосистеме можно говорить о свойстве замкнутости инженерно-геологической информации. Свойство замкнутости (незамкнутости) инженерно-геологической информации определяет отношение пространственно-временных границ изучаемой литосистемы (геологическое пространство) и инженерно-геологической информации (пространство признаков). Необходимость рассмотрения этого свойства инженерно-геологической информации вытекает из положения о том, что она в пространственно-временном отношении должна быть адекватна изучаемой области геологической среды. Информация должна быть локализована пространственными границами квазистатической литосистемы или пространственно-временными границами динамической литосистемы. В этом случае границы ИГС и границы литосистемы совпадают, находятся в отношениях, подобных отношениям эквивалентности, и инженерно-геологическую информацию следует считать замкнутой границами литосистемы. Если границы изучаемой области геологической среды и границы ИГС не совпадают, то следует говорить об излишне замкнутой или незамкнутой информации. В первом случае границы исследуемой литосистемы находятся внутри границ ИГС (имеющаяся инженерно-геологическая информация относится к большей, чем литосистема, области геологической среды). Во втором случае границы ИГС заключены внутри границ исследуемой литосистемы (имеющиеся сведения об инженерно-геологических условиях относятся только к части изучаемой литосистемы). Последний случай, понятно, более неблагоприятен. Если ИГС не замкнута, то необходимы дополнительные инженерно-геологические исследования.
Показатели замкнутости информации по пространству (Mξ) и по времени (Mt) можно выразить формулами:
где F — объем земного пространства, характеризуемый имеющейся информацией; f — объем подсистемы ПТС, информация о котором необходима для решения инженерной задачи; T — период времени, характеризуемый имеющейся информацией; t — период времени, требующийся для прогноза некоторого процесса с заданными точностью и уровнем доверительной вероятности.
Следующим свойством, характеризующим качество инженерно-геологической информации, является ее полнота по списку свойств.
Под полнотой инженерно-геологической информации следует понимать степень полноты сведений о свойствах геологической среды — компонентах инженерно-геологических условий и ЭГП, необходимых и достаточных для решения инженерной задачи при планировании, проектировании, строительстве или эксплуатации ПТС. Информацию можно считать полной по списку свойств геологической среды, если она содержит набор сведений о свойствах геологической среды и о ее движении, необходимый и достаточный для решения инженерной задачи. Информация является неполной по списку свойств геологической среды, если перечень сведений о ее свойствах — компонентах инженерно-геологических условий и данных о движении геологической среды меньше необходимого и достаточного для решения инженерной задачи набора данных о свойствах среды. Информация будет избыточной по списку свойств геологической среды, если набор сведений о свойствах среды и данных о ее движении превышает комплекс, необходимый для решения инженерной задачи.
Полноту информации по списку свойств характеризует степень ее разнообразия, выражаемая показателем , где В — разнообразие информации; nи — набор свойств о подсистеме ПТС, содержащийся в информации; nопт. — набор свойств, необходимый и достаточный для решения инженерной задачи.
Понятно, что одна и та же информация может быть полной или неполной по списку свойств в зависимости от цели ее использования. Например, инженерно-геологическую информацию, не содержащую сведений о геоморфологическом строении исследуемой территории (области геологической среды), следует признать неполной по списку свойств, если она предназначена для проектирования линейного наземного сооружения (дороги, трубопровода). Та же информация может оказаться полной по списку свойств, если ее используют для обоснования проекта какого-либо подземного сооружения.
Важнейшей характеристикой инженерно-геологической информации является ее количество. Задача оценки количества информации в теории информации не считается полностью решенной. Количество информации подсчитывается по формуле энтропии, предложенной К. Шенноном:
где Н — энтропия, рi — мера неопределенности.
Следует подчеркнуть, что шенноновская энтропия — мера неопределенности наших знаний о геологической среде. Она зависит от распределения вероятностей некоторой случайной величины, а не от нее самой. Инженеров-геологов с точки зрения методических приложений больше устраивала бы не формальная мера количества информации, равная энтропии, а такая ее количественная оценка, которая учитывала бы качественную структуру информации, ее ценность. Это, естественно, не значит, что оценка, подсчитываемая по формуле К. Шеннона, не пригодна для наших целей. Ее можно использовать для решения задач оптимизации управления ПТС, при прогнозе ее функционирования. Она с успехом может применяться при системном подходе к геологической среде для описания структуры литосистемы, определяемой отношениями ее свойств. Используя меры теории информации, можно получить, например, для каждой точки исследуемой литосистемы интегральный показатель свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий. Поле такого показателя — поле сложности инженерно-геологических условий. Существуют и другие пути подсчета количества инженерно-геологической информации. Разделив, например, изучаемую область геологической среды на квазиоднородные литосистемы, можно для каждой из них получить количество информации. Оценка будет представлять собой полную условную энтропию, являющуюся линейной комбинацией условных энтропий нормированных значений показателей свойств литосистемы (оценок средних их значений), подсчитанных с учетом их взаимосвязи.
С количеством информации непосредственно связаны и следующие ее свойства. К ним относятся вероятность и точность данных о свойствах геологической среды, с которыми эти данные представлены в отчетных материалах. Проблема точности и доверительной вероятности инженерно-геологической информации находится в начальной стадии разработки. Из числа свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий можно выделить только показатели свойств грунтов, для которых аспект точности и вероятности в какой-то мере проработан и нашел отражение в нормативах. Разработаны также способы проведения границ геологических тел с заданными точностью и вероятностью. Это способы итераций и критерий выделения слоистых геологических тел [1]. Вероятность и точность оценки других компонентов инженерно-геологических условий, несмотря на их актуальность, остаются, к сожалению, вне поля зрения специалистов. Между тем научное обоснование и регламентация вероятности и точности инженерно-геологической информации, получаемой в ходе инженерно-геологических работ, дали бы в масштабах страны ощутимый экономический эффект, так как надежность и точность данных связаны с количеством инженерно-геологической информации, а через него — с объемами работ и способами их проведения. По приближенным, самым скромным оценкам, ограничение вероятности информации, получаемой в процессе государственной инженерно-геологической съемки и работ на предварительных стадиях изысканий, величиной 0,7–0,8 позволило бы сэкономить десятки миллионов рублей в год. Учитывая требования равной вероятности и точности информации, рассмотренные в параграфе 6.3, можно утверждать, что инженерно-геологическая информация, представляемая проектировщикам на этапах компоновки сооружений и окончательных расчетов (проект и рабочая документация или рабочий проект), должна удовлетворять вероятности 0,95 при расчетах оснований по несущей способности и 0,85 — при расчетах по деформациям. Доверительный уровень информации при расчетах мостов и труб должен быть соответственно 0,98 и 0,9; гидротехнических сооружений — 0,95; а сооружений I класса капитальности и уникальных — 0,99.
6.3. Оптимум инженерно-геологической информации
После рассмотрения свойств инженерно-геологической информации логично обсудить вопрос о ее оптимуме, требуемом для решения инженерной задачи. Оптимум информации составляет корневую часть проблемы оптимизации методики инженерно-геологических работ в части их технологии и в особенности — объемов. Нередко можно слышать высказывания или читать о том, что необходимо получать максимум инженерно-геологической информации при минимальных затратах. Это положение неверно. Следует говорить о минимально необходимом и достаточном для решения инженерной задачи количестве инженерно-геологической информации, о ее оптимуме.
Оптимум инженерно-геологической информации — минимально необходимый и достаточный для решения инженерной задачи объем информации заданного качества, удовлетворяющий требованиям замкнутости, полноты, равнопредставительности, равноточности и равной вероятности. Необходимо добавить, что оптимум инженерно-геологической информации должен быть получен наиболее эффективными, производительными и экономически целесообразными методами. Установить оптимум инженерно-геологической информации не всегда просто. Программа инженерно-геологических работ, обосновывающая их методы, виды и объемы, в неявном виде всегда содержит элементы оптимизации инженерно-геологической информации, продукта работ. Программа инженерно-геологических изысканий в конечном счете всегда нацелена на получение некоторого объема информации о свойствах геологической среды (компонентах инженерно-геологических условий), нужной для решения задач строительного проектирования. Как видно из определения, оптимум инженерно-геологической информации должен удовлетворять ряду требований, однако об этих требованиях мало кто задумывался. Во всяком случае, в литературе этот вопрос не обсуждался.
Итак, что же это за требования? Во-первых, оптимальная инженерно-геологическая информация должна быть замкнутой. Она должна быть ограничена пространственными или пространственно-временными границами исследуемой области геологической среды. Границы сингулярной инженерно-геологической информации должны охватывать всю область геологической среды, всю литосистему, свойства которой так или иначе влияют на решение инженерной задачи. Информация о временном режиме геологической среды должна быть замкнута пространственными границами динамической литосистемы, а также начальным и конечным моментом времени ее получения (временные границы). Добиться соблюдения требования замкнутости инженерно-геологической информации в рамках ее оптимума несложно. Трудности могут возникнуть только при установлении нужной глубины изучения свойств геологической среды. Однако глубина определяется мощностью сферы взаимодействия геологической среды с сооружением, и если гипотетическая сфера взаимодействия проработана в отношении ее структуры, объема и конфигурации, то вопрос о замкнутости инженерно-геологической информации решается достаточно просто.
Второе требование к оптимуму инженерно-геологической информации вытекает из принципа равнопредставительности точек измерения геологических параметров [1]. Это требование можно записать в следующем виде. Любые равные по объему части геологического тела, однородные по какому-либо признаку (генетическому, возрастному, литологическому, по показателям свойств), должны быть охарактеризованы сведениями об этом признаке.
Объем сведений должен быть пропорционален мерам рассеяния признака внутри однородной части геологического тела. Иными словами, все исследуемые части литосистемы, влияющие на решение инженерной задачи, должны быть охарактеризованы информацией о ее свойствах — компонентах инженерно-геологических условий. Равнопредставительность оптимальной инженерно-геологической информации полностью предопределена пространственным размещением инженерно-геологических работ (или временной привязкой режимных наблюдений). Она обеспечивается расчетом параметров сппинфов и использованием геолого-математических принципов их размещения.
Третье требование заключается в том, что весь объем инженерно-геологической информации, отвечающий критериям оптимума, должен иметь одни и те же вероятность и относительную точность. Это, естественно, касается количественной информации, хотя ясно, что практически любую качественную информацию путем соответствующих преобразований можно представить в количественной форме. Пока это требование распространяется только на показатели свойств грунтов, используемых в расчетах в соответствии с регламентацией нормативных документов. Однако совершенно очевидно, что рассчитать величину просадочности толщи или осадку сооружения можно лишь при условии, что оценки мощностей слоев будут представлены с такой же относительной точностью и доверительной вероятностью, с какой оценены показатели свойств грунтов, используемые в расчетах. В неявном виде из этого требования вытекает зависимость объема инженерно-геологической информации от степени рассеяния (неоднородности) инженерно-геологических условий. Чем выше меры рассеяния показателя какого-либо свойства, тем больший объем работ нужно реализовать и, следовательно, при прочих равных условиях — получить больше сведений.
Четвертое требование, которому должен удовлетворять оптимум, состоит в том, что инженерно-геологическая информация, используемая для решения инженерной задачи, должна быть полной по списку свойств. Обычно уже ознакомление с литературными и архивными материалами, предшествующее составлению программы работ, дает представление о том, какими особенностями обладает приповерхностная область литосферы в районе предстоящих работ, каковы ее свойства, какие процессы в ней идут. Техническое задание на проведение инженерно-геологических изысканий также ориентирует составителя программы в отношении тех свойств — компонентов инженерно-геологических условий и тех процессов, на которые следует обратить внимание при проведении инженерно-геологических работ.
Наконец, пятое — инженерно-геологическая информация должна удовлетворять требованию оперативности. В зависимости от цели получение информации должно опережать по времени проектные работы; информация должна выдаваться представителю авторского надзора одновременно со строительством (корректировка рабочих чертежей и способов производства строительных работ) или в процессе эксплуатации сооружения (корректировка инженерно-геологических прогнозов и разработка рекомендаций по оптимальному управлению ПТС). Информация, выданная несвоевременно, с запозданием, теряет свою ценность, а иногда становится бесполезной.
Вопрос об объеме информации, соответствующем критерию оптимума, является наиболее сложным. Для его решения прежде всего нужно попытаться установить, какой набор отчетных документов соответствующего качества требуется для решения конкретной инженерной задачи.
Отчетные материалы, естественно, должны содержать информацию, отвечающую требованиям оптимума, рассмотренным выше (замкнутость, полнота, качество и т. д.). Например, нетрудно выяснить, какая информация, овеществленная в отчетных инженерно-геологических материалах, требуется для проектирования отдельно стоящего сооружения, допустим, имеющего в плане форму прямоугольника с заданной нагрузкой на основание. Любой специалист-проектировщик, по-видимому, скажет, что для расчета основания такого сооружения нужны следующие инженерно-геологические данные:
· инженерно-геологический разрез по оси сооружения, охватывающий область геологической среды, заключенной внутри предполагаемой сферы взаимодействия, расчлененный на инженерно-геологические тела категории «расчетный элемент», статистически однородные по величине модуля деформации;
· оценки среднего значения плотности грунта, модуля деформации, показателей прочности для каждого расчетного элемента, подсчитанные с требуемыми точностью и вероятностью;
· сведения гидрогеологического характера, такие как уровень грунтовых вод, их химический состав, агрессивность, данные о водопроницаемости пород, залегающих выше отметок заложения фундамента.
Для обеспечения оптимальной эксплуатации земляной плотины нужно иметь в распоряжении графики, характеризующие режим осадок, порового давления, фильтрации. Эти примеры показывают, что, опираясь на требования, предъявляемые к информации при решении конкретных инженерных задач, можно выявить минимально необходимый и достаточный перечень отчетных инженерно-геологических материалов требуемого качества и тем самым установить объем информации, отвечающий оптимуму. Для нахождения оптимума информации можно также воспользоваться методом обобщенной экспертной оценки.
В итоге информация определяет виды и объемы инженерно-геологических работ. Составитель программы инженерно-геологических изысканий должен иметь четкие представления об оптимуме инженерно-геологической информации, требуемой для решения конкретной инженерной задачи. Только при этом условии программа будет хорошей с точки зрения методики, организации работ и экономики. Установление оптимума следует считать совместной задачей геолога и проектировщика, обеспечивающих наилучшее решение вопроса. Ведь геолог знает свойства подсистемы «сфера взаимодействия», а проектировщик — подсистемы «сооружение».
Характер инженерно-геологической информации и требования, предъявляемые к ней на разных этапах проектирования, при строительстве и эксплуатации ПТС, рассмотрены в главе 9, а формы представления информации, реализованные в отчетных материалах, — в главе 10.