Анализ и оценка риска ущерба от последствий опасных геологических процессов на территории крупного города: На примере г. Москвы

Условия современного мира, все возрастающий рост научно-технического прогресса, постоянное усиление взаимного влияния человека и окружающей среды приводят к значительным изменениям геологической среды, которые, в свою очередь могут привести к значительным социально-экономическим потерям. В последние годы на первый план выходят проблемы рационального использования и охраны окружающей среды, требующие поиска новых решений как в области оценки современных условий, так и в области прогноза изменений геологической среды. Особенно актуальна эта проблема для крупных городов и промышленных центров, в пределах которых природная среда испытывает на себе наиболее высокие техногенные нагрузки вследствие высокой концентрации промышленности, гражданского, административного, транспортного строительства и т. п. В течение последнего столетия не прекращался рост крупных городов и городского населения в России. В 1900 г. городское население России составляло около 15% от общего населения страны, в 1940 г. — 33%, 1965 г. — 61%, в 1993 г. -74% [59]. Подобные тенденции характерны и для других стран мира. Постоянный рост городского населения, особенно в крупных промышленных и финансовых центрах приводит к увеличению площади городов, уплотнению застройки, повышению этажности возводимых зданий, а также активному использованию подземного пространства. Нехватка территорий вынуждает использовать под строительство земли, раньше считавшиеся малопригодными для застройки, со сложными инженерно-геологическими условиями и, как следствие, целым набором потенциально опасных геологических процессов. Влияние крупных городов отмечается не только внутри их границ, оно распространяется далеко за пределы городской черты. Многие крупные города становятся агломерациями, пригородные территории городов характеризуются высокой плотностью населения, густой сетью транспортных магистралей и коммуникаций, развитием различных отраслей промышленности, в том числе и добывающей, складского хозяйства, наличием большого количества свалок и т. д.

Вопросы, связанные с взаимодействием человека и окружающей среды, привлекают внимание ученых уже не одно столетие. Так, в Москве, первые геологические исследования, относящиеся к концу XVIII века, были связаны с решением вопросов водоснабжения города [56]. В начале XX века, когда влияние человека на геологическую среду начало заметно усиливаться, В. И. Вернадским [7, 8], выдающимся ученым нашего времени, были предложены новые теоретические разработки в плане взаимодействия человека и окружающей среды. Большой вклад в развитие идей взаимодействия человека и геологической среды внесли работы академиков Е. М. Сергеева [74, 75, 76], А. В. Сидоренко [77, 78] и др. Вопросы взаимодействия города и геологической среды нашли свое отражение в работах Герасимовой А. С., Королева В. А. [10], Голодковской Г. А. [11,12, 13], Дашко Р. Э., Зиминой Д. Г., Котлова Ф. В. [32, 33, 34, 35,], Котлова В. Ф. [31], Коффа Г. Л. [39, 40, 42, 43], Лихачевой Э. А. [50, 51], Осипова В. И. [56, 59], Пашкина Е. М. [60], Трофимова В. Т. и многих других ученых. Вопросам изучения геологии и инженерной геологии Москвы уделяли свое внимание многие исследователи. Инженерно-геологические карты на территорию города составлялись во МГРИ и Мосгоргео-тресте под руководством Б. М. Даньшина, Н. А. Корчебокова, Ф. В. Котлова, О. В. Ильиной и др. Значительный вклад в усовершенствование методик изучения инженерно-геологических условий внесли Голодковская Г. А. [11, 12], Бучкин М. Н., Елисеев Ю. Б., Зеегофер Ю. О. [100−102], Клюквин А. Н., Коломенский Е. Н. [28], Кофф Г. Л. [37, 40], Экзарьян В. Н., Парецкая М. Н., Пашковский И. С., Петренко С. И. [61], Коломенская В. Н., Королев В. А., Каган А. А., Шеко А. И., Круподеров B.C., Зилинг Д. Г., Подгорная Т. И. и др.

Среди наиболее важных задач, стоящих перед учеными в настоящее время, особо выделяются вопросы связанные с разработкой новых методов прогнозирования для обеспечения безопасности населения, окружающей природной и техногенной среды, оценки опасности развития геологических процессов, уязвимости объектов от их воздействия и риска возникновения какого-либо ущерба. Эти методы должны учитывать инженерно-геологические условия территорий, возможность развития опасных геологических процессов, а также их возможное влияние на градопромышленный комплекс, которое может привести к возникновению экономического и социального ущерба. Большое значение в связи с этим для территорий городов имеет разработка методик комплексного прогнозирования, учитывающего все возможные или, по крайней мере, наиболее вероятные изменения, как геологических, так и техногенных условий. В современной инженерной геологии имеются разработки в области прогноза развития различных инженерно-геологических систем, однако вопросы комплексного прогнозирования техноприродных систем в настоящее время разработаны недостаточно. Нужно заметить, что решение вопросов прогнозирования изменений в техноприродных системах связано со значительными проблемами, обусловленными прежде всего сложностью структуры такой системы и сложностью взаимодействия ее отдельных компонентов.

Целью данной диссертационной работы является разработка методики оценки геологического риска для территорий крупных городов, являющейся основой для оценки современного состояния техноприродной системы и прогноза ее изменения в результате взаимодействия геологической среды и инженерных сооружений, и проведение оценки комплексной геологической опасности, уязвимости зданий и сооружений и геологического риска на отдельных участках территории г. Москвы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ существующих теоретических положений и методик оценки природного риска и геологической опасности, а также методов оценки уязвимости зданий и сооружений от воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов.

2. Анализ и обобщение характеристики существующих геологических, гидрогеологических, тектонических и инженерно-геологических условий территории г. Москвы, а также изменения этих условий в результате инженерно-хозяйственного воздействия.

3. Разработка методологических основ создания трехмерной модели геологической среды для территории крупного города, определения основных составляющих элементов модели и их взаимодействия.

4. Разработка методики оценки и составления карт интегральной геологической опасности для территории городов на примере выбранных участков.

5. Исследование и анализ причин деформаций зданий и сооружений на территории г. Москвы.

6. Разработка методики оценки уязвимости зданий и сооружений жилшцно-гражданского назначения от воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов.

7. Разработка методики оценки и составления карт геологического риска для территории крупных городов (на примере г. Москвы).

Наиболее наглядным приемом в изучении распространения природных и техногенных закономерностей является картографический метод, который использовался в данной работе. Он позволяет зафиксировать в наглядном виде как современные инженерно-геологические условия территории, так и различные инженерные объекты, реагирующие на внешние воздействия. Картирование природных опасностей, уязвимости инженерных сооружений и риска возникновения ущерба, позволяет прогнозировать возможные социально-экономические последствия и разрабатывать эффективные меры для предотвращения возможных потерь.

Объектами исследований являются геологическая среда, а также инженерные сооружения (здания жилищно-административного назначения) на территории г. Москвы в пределах трех участков: 1) центральной части города, в границах Садового кольца, 2) «Хорошево-Мневники», 3) «Москва-Сити» .

Выбор данных участков обусловлен несколькими причинами. В настоящее время Москва представляет собой огромный мегаполис с высокой концентрацией промышленных и гражданских сооружений, транспортных сетей и различного рода коммуникаций, активно используется подземное пространство города. Значительное хозяйственное воздействие, в условиях сложных инженерно-геологических условиях города, приводит к активизации геологических и инженерно-геологических процессов, влияющих на устойчивость зданий и сооружений, наносящих значительный экономический и социальный ущерб, увеличивающих возможность возникновения чрезвычайных ситуаций. Выбранные для исследования участки на территории города расположены в пределах различных геоморфологических типов, особенно это касается центральной части города, где наряду с долинным комплексом р. Москвы и ее притоков (поймы и надпойменных террас) выделяются участки флювиогляциальной и моренной равнин. Все участки характеризуются достаточно сложными инженерно-геологическими условиями, обусловленными присутствием в разрезе большого количества горизонтов, сложенных разными по составу и свойствам грунтами, широким развитием техногенных отложений, сложными гидрогеологическими условиями. Все это обуславливает возможность развития большого количества опасных геологических и инженерно-геологических процессов, характерных для территории города в целом (карстово-суффозионные процессы, склоновые процессы, суффозия, подтопление, различного рода осадки и т. д.). Большой интерес представляют и техногенные условия выбранных участков. В пределах Садового кольца расположена историческая часть города, здесь находится большое количество старых зданий, которые наиболее уязвимы от внешних воздействий. Наряду с этим в центре города возводится много новых зданий, проводится реконструкция старой застройки, активно используется для строительства подземное пространство. Значительные объемы строительства, увеличение плотности и этажности застройки значительно влияют на геологическую среду и могут спровоцировать возникновение опасных инженерно-геологических процессов. Район «Хорошево-Мневники» представляет собой типичный селитебный район Москвы, где широко развита пятии девятиэтажная застройка. Планомерный снос старых пятиэтажных домов на этой территории и возведение на их месте зданий в 15−20 этажей будет сопровождаться изменением существующей структуры подземных коммуникаций, увеличением нагрузок на грунты оснований, что несомненно изменит сложившуюся инженерно-геологическую ситуацию в данном районе. Район «Москва-Сити» до недавнего времени представлял собой промышленную зону с отдельными участками жилой застройки, однако этот район является перспективным для строительства новых многоэтажных зданий с использованием подземного пространства, что также несомненно изменит существующие инженерно-геологические условия территории. Все это многообразие факторов и позволило выбрать данные участки в качестве эталонных для разработки методик оценки интегральной геологической опасности, уязвимости зданий и геологического риска.

В результате проведенных исследований были получены следующие результаты, определяющие научную новизну диссертационной работы:

1. Впервые разработана трехмерная модель геологической среды, учитывающая сложные инженерно-геологические условия города, позволяющая в трехмерном пространстве оценить влияние основных элементов геологической среды на устойчивость зданий и сооружений, и на ее основе провести оценку опасности воздействия неблагоприятных геологических и инженерно-геологических процессов на устойчивость инженерных сооружений.

2. Разработана методика оценки интегральной геологической опасности, впервые позволяющая в совокупности предвидеть возможность возникновения различных геологических и инженерно-геологических процессов, развивающихся на исследуемых территориях и способных повлиять на устойчивость инженерных сооружений.

3. Определены основные факторы оказывающие влияние на степень и характер деформаций зданий, на основании проведенного анализа деформированных зданий и сооружений на территории города определены их приоритеты.

4. Впервые разработана методика оценки геологического риска, связанного с воздействием опасных геологических процессов на здания и сооружения различной уязвимости и созданы карты геологического риска на территорию г. Москвы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основой методики оценки опасности возникновения геологических процессов влияющих на устойчивость зданий и сооружений является трехмерная модель геологической среды. Модель включает в себя элементы геологической среды, расположенные на двух уровнях влияния. На первом уровне находятся элементы оказывающие прямое воздействие на здания и сооружения, на втором — элементы опосредованно влияющие на устойчивость зданий чрез элементы первого уровня.

2. Типизация застройки с учетом 6 основных параметров — конструктивной схемы здания и его этажности, степени амортизации здания, наличия и типа подвальных помещений, типа фундамента, функционального использования территории, плотности застройки, позволяет осуществить наиболее полный учет особенностей застройки крупного города, для целей оценки уязвимости зданий и сооружений при воздействии геологических и инженерно-геологических процессов.

3. К числу приоритетных природных и техногенных факторов, определяющих степень деформации зданий, находящихся в различных инженерно-геологических условиях последовательно относятся: уровень грунтовых вод в сочетании с насыпными отложениямимощность насыпных отложенийэтажность зданий в сочетании с определенной строительной генерациейналичие (отсутствие) подваластепень интегральной геологической опасноститип фундаментаматериал стенгеоморфологические условияконструктивные недоработки.

4. Результаты картирования геологического риска, базирующиеся на оценке опасности воздействия геологических процессов и уязвимости городской застройки, позволяют, с учетом подхода к риску, как относительной вероятности возможного ущерба, проследить частные и общие закономерности его распределения на территории города, что, в свою очередь, может служить основой для планирования мероприятий по управлению риском.

Практическое значение работы заключается в разработке новых методов оценки геологической опасности, уязвимости инженерных сооружений и геологического риска, которые были внедрены в Мосгоргеотресте при создании Информационной системы геологической среды г. Москвы (1999;2000 гг.). Созданные на основании разработанных методов карты геологической опасности, схемы уязвимости и карты геологического риска позволяют не только оценить возможность деформаций зданий в результате воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов, но и служить основой для разработки практических рекомендаций по более рациональной эксплуатации застройки различного типа и проектированию новых зданий и сооружений с учетом сложных инженерно-геологических условиях города.

Основные положения и результаты исследований, изложенные в диссертации были доложены на Международном симпозиуме «Партнерство во имя жизни — снижение риска чрезвычайных ситуаций, смягчение последствий аварий и катастроф», г. Москва, 1998 г.- Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картирование», пос. Зеленый Московской обл., 1998 г.- Четвертой Всероссийской научно

10 практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», г. Санкт-Петербург, 1999 г.- Юбилейной научной конференции Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН, посвященной 275-летию Российской Академии наук и 20-летнию института, г. Москва, 1999 г.- Научно-технической конференции «Сейсмостойкость крупных транспортных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях», г. Москва, 1999 г.- Общероссийской конференции «РИСК-2000», г. Москва, 2000 г.- Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий», г. Екатеринбург, 2001 г.

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, 2 статьи находится в печати.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 151 странице с 16 рисунками и 21 таблицей. Работа содержит также 2 графических приложения на 20 листах.

Выводы.

Проведенные исследования и оценка геологического риска на территории г. Москвы позволяют сделать следующие выводы:

1. Геологический риск является важнейшим параметром, позволяющим оценить вероятность возникновения ущерба для зданий и сооружений вследствие воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов, поскольку учитывает как особенности геологического строения территории и все основные факторы, определяющие возникновение и развитие опасных процессов, так и особенности инженерных сооружений и их реакцию на внешние воздействия.

2. Геологический риск является многофакторным показателем и для его оценки необходимо проведение нескольких этапов исследований. На примере территории г. Москвы, нами разработана методика оценки геологического риска, которая включает: а) комплексное изучение геологических и инженерно-геологических условий для получения исчерпывающей информации о всех природных особенностях городской территории, определяющих развитие опасных геологических и инженерно-геологических процессовб) комплексное изучение застройки территории города учитывающее инженерные и технические особенности инженерных сооружений, определяющие их устойчивость при воздействии опасных геологических процессовв) созда

138 ние трехмерной модели геологической среды и проведение экспертной оценки опасности возникновения геологических и инженерно-геологических процессовг) типизацию городской застройки и экспертная оценка уязвимости зданий и сооружений от воздействия геологических и инженерно-геологических процессовд) оценку геологического риска, на основании проведенных исследований геологической и техногенной среды города.

3. Территория г. Москвы характеризуется неоднородным распределением значений геологического риска, что обусловлено с одной стороны сложностью инженерно-геологических условий территории, значительной их изменчивостью, как в плане, так и по разрезус другой стороны неоднородностью застройки, определяющейся наличием большого разнообразия конструктивных типов зданий, их этажности, возраста постройки, степени амортизации и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Методика оценки геологических рисков, учитывающая геологические и инженерно-геологические условия территории градопромышленных комплексов, сложные техногенные условия городов, определяющиеся разнообразной жилищно-гражданской и промышленной застройкой, в настоящее время разработана слабо и ее создание является одной их важнейших задач при решении вопросов обеспечения безопасности инженерных объектов и населения, рационального планирования строительства и реконструкции объектов жилищно-гражданского комплекса. Оценка геологического риска должна проводится с учетом возможных изменений геологической среды, что требует изучения пространственной изменчивости инженерно-геологических условий, их изменения с учетом техногенной нагрузки, оказывающие большое влияние на развитие геологических и инженерно-геологических процессов. Конечной целью оценки геологического риска, является создание соответствующих карт, которые позволяют не только оценить устойчивость природно-техногенной системы, но и являются основой для разработки методов управления риском, направленных на проведение необходимых мероприятий по снижению риска.

2. Основные закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических условий в исследуемом объеме геологического пространства наиболее полно могут быть изучены путем создания трехмерной модели геологической среды. Модель геологической среды крупного города должна учитывать все основные геоморфологические, литолого-стратиграфические, гидрогеологические, тектонические, геодинамические условия, определяющие развитие опасных, с точки зрения воздействия на здания и сооружения, геологических и инженерно-геологических процессов. В соответствии с указанными критериями нами была разработана методология создания модели геологической среды По характеру воздействия на объекты, элементы, составляющие модель были разделяются на две группы: непосредственно воздействующие на объект и воздействующие опосредованно, через другие элементы. Таким образом было выделено два уровня влияния элементов модели, определяющих характер воздействия на инженерные сооружения. В соответствии с этим при построении модели геологической среды для территории г. Москвы к первому уровню влияния были отнесены геоморфологические условия, характер строения грунтовой толщи и грунтовые воды. На втором уровне модели учитывались особенности строения нижележащих толщ каменноугольных отложений, распространения юрского водоупора и зоны разуплотнения, обусловленные как природными, так и техногенными факторами. Построенная модель геологической среды г. Москвы позволила провести экспертную оценку геологической опасности для каждого элемента модели и выделить наиболее значимые элементы, в плане влияния на устойчивость зданий и сооружений.

3. На основании разработанной модели геологической среды, нами, на примере г. Москвы, была разработана методика оценки опасности воздействия геологических процессов на здания и сооружения. Созданная методика позволила выделить на отдельных участках территории города выделы, характеризующиеся одинаковым распределением внутри их границ значений выбранных показателей элементов модели геологической среды: геоморфологических типов, типов грунтовых толщ, глубины уровня грунтовых вод, распространения юрского водоупора, уровенной поверхности и градиента рельефа кровли каменноугольных отложений, литологического состава кровли каменноугольных отложений, распространения зон разуплотнения. На основании значений опасности модельных элементов для каждого выдела было определено значение интегральной геологической опасности, что позволило создать на территорию г. Москвы карты опасности воздействия геологических процессов для различных стадий градостроительного проектирования.

4. В результате анализа причин деформаций зданий на территории г. Москвы нами выделены основные факторы, обуславливающие возникновение этих деформаций и определены наиболее приоритетные из них. Среди основных факторов обуславливающих деформируемость зданий выделены (используя символ доминирования /): уровень грунтовых вод, особенно в сочетании с насыпными отложениями в основании фундаментов / мощность насыпных отложений / этажность зданий в сочетании с их принадлежностью к определенной строительной генерации / наличие (отсутствие) подвала / степень интегральной геологической опасности, определяющейся типом грунтовой толщи / тип фундамента / материал стен / геоморфологические условия / конструктивные недоработки.

5. Разработана методика оценки уязвимости зданий и сооружений жилищно-административного назначения от воздействия опасных геологических процессов. Разработана схема типизации застройки, которая учитывает основные инженерные и технические параметры зданий, влияющие на их устойчивость: тип конструктивной схемы здания и его этажность, степень амортизации здания, наличие и тип подвальных помещений, тип фундамента, функциональное использование территории, плотность застройки. На основании данной схемы типизации для территории г. Москвы были выделены 132 типа возможной застройки, для каждого из которых, на основании экспертных оценок было определено значение уязвимости.

6. Разработана общая методика оценки геологического риска на территории крупного города, которая включает:

— изучение и анализ природных и техногенных условий города;

— выделение основных факторов, определяющих развитие опасных геологических и инженерно-геологических процессов;

— выделение основных факторов, определяющих уязвимость (устойчивость) инженерных сооружений;

— разработку модели геологической среды города;

— проведение типизации застройки;

— оценку опасности возникновения геологических и инженерно-геологических процессов на основании разработанной модели геологической среды города;

— оценку уязвимости зданий и сооружений от воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов на основании проведенной типизации застройки;

— составление карт геологической опасности и карт уязвимости застройки;

— оценку геологического риска и составление соответствующих карт. Созданные карты геологического риска на территорию г. Москвы, на основании разработанной методики, показывают сложный характер распределения значений геологического риска, что обусловлено как сложностью инженерно-геологических условий территории, так и неоднородностью застройки. Разработанные карты позволяет определить сравнительную вероятность возникновения ущерба застройки от возможного воздействия геологических и инженерно-геологических процессов на различных участках территории г. Москвы, что необходимо учитывать при проектировании, строительстве, эксплуатации зданий и сооружений, а также разработке мер по снижению риска с целью обеспечения безопасности населения и инженерных объектов.