Математичне моделювання зсувної небезпеки в умовах підтоплення та сейсмічних впливів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ І ГЛОБАЛЬНОГО ІНФОРМАЦІЙНОГО ПРОСТОРУ

УДК 519.87:504.4(043.3)

01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЗСУВНОЇ НЕБЕЗПЕКИ В УМОВАХ ПІДТОПЛЕННЯ ТА СЕЙСМІЧНИХ ВПЛИВІВ

ГЛЕБЧУК ГАННА СЕРГІЇВНА

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор ТРОФИМЧУК Олександр Миколайович,

Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, заступник директора з наукової роботи, м. Київ.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор, ВЛАСЮК Анатолій Павлович, Національний університет водного господарства та природокористування, декан факультету прикладної математики та комп'ютерно-інтегрованих систем, завідувач кафедри прикладної математики, м. Рівне;

доктор технічних наук, професор ДЕМЧИШИН Михайло Гордійович, Інститут геологічних наук НАН України, завідуючий відділом інженерної геології, м. Київ.

Захист відбудеться «09» листопада 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.255.01 в Інституті телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України за адресою: 03680, м. Київ, Чоколівський бульвар, 13, кім. № 601.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України за адресою: 03680, м. Київ, Чоколівський бульвар, 13.

Автореферат розісланий «05» жовтня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук І.В. Трофимова



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

комп'ютерний моделювання зсувонебезпечний схил

Актуальність теми. За даними Національних доповідей Міністерства надзвичайних ситуацій та НАН України, на території України протягом останніх років спостерігається тенденція до активізації зсувних процесів майже в усіх адміністративних областях. Особливої активності зсувних процесів зазнали Карпатський регіон, узбережжя Чорного та Азовського морів, правобережжя Дніпра та його правих приток, долина Сіверського Дінцю, яка охоплює частину Харківської області. Загалом на території України виявлено близько 23 тис. зсувів.

Підвищений інтерес до розв'язання завдань зсувної небезпеки, модифікації й спеціалізації існуючих обчислювальних методів з метою підвищення їх ефективності та створення дієвих програмних засобів комп'ютерної реалізації зумовлені гострою потребою в прийнятті оптимальних рішень щодо використання земельних ділянок зі складними рельєфом та гідрогеологічною ситуацією, збереження навколишнього природного середовища.

Як об'єкти математичного моделювання зсувні процеси описуються системами нелінійних рівнянь. На сьогодні чисельне моделювання нелінійних систем існує як окрема математична галузь науки. Побудові складних математичних моделей механіки деформованого середовища з врахуванням фільтрації підземних вод присвячені праці І.І. Ляшка, І.В. Сергієнка, В.С. Дейнеки, В.В. Скопецького, В.М. Булавацького, А.П. Власюка, О.М. Трофимчука та ін.

Серед методів визначення зсувної небезпеки провідне місце займають методи оцінки стійкості схилів. Питанням удосконалення методів розрахунку зсувної небезпеки, програмних засобів комп'ютерної реалізації та заходів щодо стабілізації зсувонебезпечних територій присвячено низки наукових робіт. Найбільш відомими з них є роботи М.М. Герсеванова, М.М. Маслова, Г.М. Шахунянца, Л.К. Гінзбурга, М.Н. Гольдштейна, А.І. Білеуша, І.П. Бойка, М.Г. Демчишина, М.Л. Зоценка, Ю.І. Калюха, М.М. Кризського, Г.Г. Стрижельчика, Г.І. Черного, О.В. Школи, Є.О. Яковлєва, A.W. Bishop, E. Erberhardt, W. Fellenius, H. Fukuoka, R. Genevois, N.R. Morgenstern, H. Runqui, K. Sassa, K. Terzaghi, H. Wang, F. Wang, H. Willenberg, Y. Yin, та ін.

Удосконалення методів і засобів математичного та комп'ютерного моделювання зсувів передбачає вирішення цілого комплексу проблем, які пов'язані із недосконалістю процесів підготовки й використання моделюючих систем як носіїв досліджуваних моделей, ефективних програмних засобів комп'ютерної реалізації, оцінки ступеня зсувної небезпеки та розрахунків протизсувних споруд. До основних недоліків можна віднести відсутність методології та програмної реалізації системного підходу щодо аналізу в межах одного програмного комплексу зсувної небезпеки як на регіональному, так і на локальному рівнях зсувонебезпечних територій з деталізацією до окремого схилу. Виходячи з цього доцільними є розробка методології системного підходу та створення ефективних програмних засобів комп'ютерної реалізації, аналізу зсувної небезпеки в комплексі: на базі математичного моделювання окремого схилу та із застосуванням ГІС-технологій для забезпечення регіональної оцінки зсувної території.

На сьогодні не існують сучасні автоматизовані робочі місця (АРМ) на основі «візуального програмування» з обчислення зсувів. Відсутність відповідної геоінформаційної системи (ГІС), зокрема в межах Харківської області, територія якої має високий рівень зсувної небезпеки, ускладнює аналіз впливу природних, техногенних і особливих факторів на розвиток та поширення зсувних процесів регіонального рівня. Немає бази даних (БД), яка б одночасно містила дані паспортів зсувних ділянок, а також дані опадів Харківської області. Все це в сукупності і визначає актуальність дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках тем наукових досліджень Інституту телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, зокрема теми „Розробка системи картографічного забезпечення управління екологічною безпекою і моніторингу відтворюваними ресурсами на базі геоінформаційних технологій і використання космічних знімків” (2007-2009 рр., держреєстрація № 0107U000556) та науково-технічного проекту „Практичне відпрацювання методики оцінки та прогнозу зміни складних гідрогеологічних та інженерно-геологічних процесів. Розділ 3. Програмно-технологічний комплекс розрахунку напружено-деформованого стану схилів у складних інженерно-геологічних і сейсмічних умовах України” (2009 р., держреєстрація № 0109U005357), де здобувач був виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення ефективних програмних засобів комп'ютерної реалізації оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів на основі системного поєднання математичного моделювання та ГІС-технологій.

Для досягнення мети дослідження були поставлені такі завдання:

Систематизувати й узагальнити наявні дані щодо методів і засобів математичного та комп'ютерного моделювання, обчислювальних методів, призначених для оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів.

Обґрунтувати та застосувати математичне моделювання для розрахунку зсувної небезпеки під дією статичних та сейсмічних навантажень.

Розглянути й удосконалити методи обчислювальної математики з метою підвищення їх ефективності для комп'ютерного моделювання зсувної небезпеки.

Розробити на основі візуального програмування комп'ютерну програму розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) зсувонебезпечних схилів.

Визначити зсувонебезпечні схили на території Харківської області та розробити БД, яка б містила інформацію відносно паспортів зсувних ділянок та дані щодо суми опадів по метеостанціях Харківської області.

Створити ГІС зсувних ділянок по Харківській області з визначенням факторів їх утворення.

Здійснити апробацію запропонованої методології для оцінки загальної та локальної стійкості схилів на об'єкті забудови Харківської області із застосуванням АРМ.

Об'єктом досліджень є зсувонебезпечні території та локальні зсуви.

Предметом досліджень є комп'ютерне моделювання зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів та його автоматизація з подальшим відображенням у БД та ГІС.

Методи дослідження:

теоретичні методи, що ґрунтуються на системному підході до аналізу динаміки розвитку зсувів, який передбачає вибір і врахування впливу домінуючих факторів цього процесу;

статистичні методи під час розробки БД;

картографічні методи при створені (побудові) фактографічних і аналітичних карт поширення зсувних об'єктів (ділянок) на базі ГІС;

чисельне моделювання НДС схилу, яке виконувалося методами, що базуються на застосуванні теорії граничної рівноваги (метод горизонтальних сил Маслова-Берера, аналітичний метод Шахунянца).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що отримані нові науково обґрунтовані результати в технічних науках, які в сукупності дали змогу розробити АРМ інженера-будівельника з розрахунку зсувної небезпеки на локальному та регіональному рівнях в умовах підтоплення та сейсмічних впливів. Виходячи з цього у дисертаційній роботі вперше:

на основі математичного та чисельного моделювання з використанням нелінійного програмування розв'язана обернена задача механіки ґрунтів відносно ідентифікації фізико-механічних характеристик ґрунту, з якого складається зсув;

розроблена комп'ютерна модель, алгоритм та програма, які в сукупності являють собою АРМ LANDSLIP07 для розрахунку НДС зсувонебезпечних схилів на основі “візуального програмування”;

узагальнено і проведено математичне моделювання зсувної небезпеки при підвищенні рівня ґрунтових вод, зміні сейсмічності ділянки будівництва, а також за наявності будівлі та при облаштуванні котловану на зсувонебезпечному схилі за умови відсутності ґрунтових вод або при підвищенні їх рівня;

створена узагальнена БД паспортів та ГІС зсувних ділянок Харківської області з визначенням факторів їх утворення.

Дістали подальшого розвитку:

можливість використання розробленої програми LANDSLIP07 для підвищення вірогідності оцінки інженерно-геологічних умов при забудові та обґрунтуванні інженерного захисту зсувонебезпечних схилів;

можливість застосування ГІС у процесі визначення впливу окремих природних і техногенних факторів на розвиток і поширення зсувів, виявлення взаємозв'язків та тенденцій їх розвитку.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується відповідним тестуванням розробленого програмного комплексу LANDSLIP07 на відомих теоретичних результатах, зіставленням отриманих розрахункових результатів з даними інших програмних комплексів (SLOPE/W) та даними окремих експериментів.

Наукове значення роботи полягає в тому, що було вдосконалено математичну та розроблено комп'ютерну модель оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

розроблена ГІС дає змогу простежити вплив окремих факторів на розвиток і поширення зсувів, виявити їх взаємозв'язки, а також тенденції розвитку;

розроблена БД має інформаційно-довідковий характер стосовно даних паспортів зсувних ділянок Харківської області, а також суми опадів. Інформація може використовуватися для експрес-оцінки ризику зсувоутворення;

програма комп'ютерного моделювання НДС схилів в разі зміни інженерно-геологічних умов: підтоплення, землетрусів та інженерної підготовки територій (LANDSLIP07), яка зареєстрована у Державному департаменті інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України (№ 26501 від 18.11.2008), найбільш повно відповідає вимогам проектувальників та інженерів-будівельників при територіальній оцінці зсувонебезпечності і може бути використана проектно-дослідними організаціями, Міністерством надзвичайних ситуацій, а також місцевими органами влади при вирішенні питань відносно забудови зсувонебезпечних схилів та складанні відповідних прогнозів;

результати досліджень у вигляді методики розрахунку зсувонебезпечних схилів на основі сучасних інформаційних технологій аналізу були впроваджені в ТОВ „МІЛІУСА”, у Київській міській державній адміністрації, в Українському державному головному науково-дослідному і виробничому інституті інженерно-технічних і екологічних вишукувань, у будівельному комплексі ТСРЛ „Приморець”. Відповідні акти впроваджень наводяться у додатку до дисертації.

Всі положення та результати, які виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних досліджень, обробці одержаних результатів, упровадженні розроблених матеріалів і відображений у наукових працях:

у статті [1] досліджено основні причини та наслідки регіонального підтоплення земель на території України, а також надані рекомендації щодо зниження темпів підтоплення земель;

у статті [2] проаналізовано вплив різних факторів на розвиток зсувних процесів, розроблено карту градації території Харківської області за кутом нахилу, простежено вплив щільності дорожніх шляхів на розвиток зсувів;

у роботах [3, 7, 8] виконано чисельне моделювання типового зсувного схилу із урахуванням: відсутності та підвищення рівня ґрунтових вод; підвищення рівня ґрунтових вод та сейсмічності ділянки будівництва; підвищення рівня ґрунтових вод і за наявності будівлі та при облаштуванні котловану;

у статті [4] досліджено основні причини у виникненні ситуацій надзвичайного характеру, надані відповідні рекомендації;

у статті [5] розроблено карту поширення зсувів на території Харківської області на основі даних паспортів зсувних ділянок з використанням сучасних інформаційних технологій;

у статті [6] - БД паспортів зсувних ділянок;

у статті [9] - розробку блок-схеми програми, алгоритму та підпрограм функцій та написання окремих частин програмного продукту;

у роботі [10] використано картування поширень зсувів, поширених на території Харківської області;

у роботі [11] показано залежність розвитку зсувів від щільності річкової мережі, розчленування рельєфу, розвитку підтоплення земель;

у роботі [12] розроблено карту фактів розміщення зсувних ділянок на території Харківської області, простежено кількісні зміни ураженості зсувами адміністративних районів Харківської області.

З допомогою наукового керівника дисертант виконала математичне моделювання НДС схилів, особисто здійснила розробку відповідних ГІС та БД.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжнародних науково-практичних та всеукраїнських науково-технічних конференціях, серед яких:

Міжнародна науково-практична конференція «Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях» (с. Рибаче, Крим, 2002);

Друга міжнародна науково-практична конференція «Підтоплення - 2003. Нагальні питання вирішення проблеми підтоплення ґрунтовими водами територій міст та селищ міського типу» (Харків, 2003);

3-тя міжнародна науково-практична конференція «Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною та інформаційною безпекою в регіонах» (с. Рибаче, Крим, 2004);

7-ма всеукраїнська науково-технічна конференція «Будівництво в сейсмічних районах України» (Ялта, 2008);

6-та всеукраїнська науково-технічна конференція «Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування» (Полтава, 2008).

Публікації: Основні положення та результати дисертаційного дослідження опубліковані у 12 роботах, із них 8 - у наукових фахових виданнях ВАК України, 3 - у тезах доповідей конференцій. Отримано свідоцтво про реєстрацію авторського права на програмний твір.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 238 найменувань, а також 4 додатків. Робота викладена на 224 сторінках і містить 132 сторінки основного тексту, 14 таблиць і 124 ілюстрації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок дисертації з науковими програмами та планами, сформульовано мету і завдання дослідження, розкрито наукову новизну роботи, практичне значення одержаних результатів, наведено дані про їх публікацію та апробацію.

Перший розділ присвячено огляду літературних джерел за тематикою дисертації, аналізу існуючого інформаційного матеріалу і програмно-технічних розробок у галузі комп'ютерного та математичного моделювання зсувних процесів, викладу загальновідомих положень про зсуви, аналізу методів математичного моделювання зсувних процесів.

У розділі наведено дані відносно сучасних програмних продуктів, орієнтованих на автоматизацію та візуальне програмування, створення АРМ при моделюванні процесів різної природи на ПЕОМ, розглянуто сучасні комп'ютерні технології обробки даних та ГІС-технології, а також системи керування базами даних (СКБД). Обґрунтовано вибір подальших напрямів досліджень, пов'язаних із комп'ютерною оцінкою зсувної небезпеки на регіональному та локальному рівнях.

У процесі аналізу НДС окремого схилу, а також у разі необхідності застосування інженерних методів захисту територій і споруд використовувалися методи математичного моделювання, в основу яких покладено обчислення коефіцієнта стійкості схилу та зсувного тиску. Ці методи базуються на застосуванні теорії граничної рівноваги за таких припущень: використовується гіпотеза закам'янілого тіла; допускається заздалегідь визначена форма поверхні ковзання - поверхні, по якій відбувається зсув; масив зрушення умовно розділяється на вертикальні відсіки таким чином, щоб основа кожного відсіку була плоскою і однорідною зі сталими значеннями кута внутрішнього тертя ц та питомого зчеплення с; в деяких випадках сили взаємодії між відсіками, на які розбивається зсувний блок, не враховуються; сили, які діють на кожний відсік, мають задовольняти умови статики.

Унаслідок великої трудомісткості та громіздкості обчислень з визначення показників зсувної небезпеки схилів та зсувного тиску, що зумовлено варіюванням положення кривої ковзання, різними типами та геометрією залягання ґрунтів, формуючих схил, положенням кривої депресії, постала необхідність автоматизації розрахунків та спрощеного візуального введення даних, візуалізації всіх етапів розрахунку та підсумкового отримання даних у графічному і табличному вигляді. Тобто потрібно було розробити АРМ, основним призначенням якого було б моделювання НДС схилів із урахуванням максимальної візуалізації всіх обчислювальних операцій та максимального врахування різних факторів впливу - фізико-механічних властивостей ґрунтів, геометричних характеристик, варіювання положення кривої ковзання для визначення такого її положення, де коефіцієнт стійкості схилу буде мінімальним.

При аналізі розвитку зсувів і захисту інженерних споруд на великих територіях доцільним є застосування сучасних ГІС-технологій. На їх основі виконується загальна оцінка стану геологічного середовища, аналіз стану інженерного захисту територій, будівель і споруд та використання зсувних схилів міських територій. Таким чином, виникає потреба у розробці ГІС та відповідної БД.

У другому розділі розглянуто нелінійну тривимірну модель деформування ґрунту, в якій передбачено врахування фізичної і геометричної нелінійності, ущільнення в процесі деформування, опору в процесі стискання і розтягнення, усадки, набухання ґрунту при гідростатичному тиску.

Ця модель зведена до узагальненої математичної моделі, в основу якої покладено обрахування стійкості схилів у випадку плоскої (двовимірної) задачі. В математичній моделі зсувного процесу за основу були взяті теоретичні положення статики сипкого середовища та найбільш відомі методи розрахунку коефіцієнта стійкості схилу Маслова-Берера і Шахунянца та величини зсувного тиску Шахунянца. Крім фізико-механічних властивостей ґрунтів, у моделі передбачено врахування впливу ґрунтових вод, водонасичення ґрунтів, сейсмічних сил, маси будівель та споруд. Ця модель була взята за основу під час розробки програми моделювання НДС схилів LANDSLIP07.

Використаний у моделі метод горизонтальних сил Маслова-Берера застосовують у випадках, коли відкіс складається із різнорідних ґрунтів, і зсув відбувається за відомою довільною поверхнею ковзання. Криволінійна поверхня ковзання замінюється у площині ламаною. Призму ковзання ділять на відсіки таким чином, щоб кожен відсік складався із однорідного ґрунту.

Формула Маслова-Берера для обчислення коефіцієнта стійкості із урахуванням фільтраційного тиску та сейсмічної сили має вигляд:

де ji - величина гідродинамічного тиску у і-му відсіку; Qcі - сейсмічна сила; - ухил кривої депресії (кут нахилу до горизонту рівнодіючої гідродинамічного тиску).

Горизонтальний тиск визначається за формулою:

Аналітичний метод Г.М. Шахунянца є адекватним для обчислення коефіцієнта стійкості вільних укосів (схилів) та для визначення сил зсувного тиску на утримуючі конструкції. Формули для визначення коефіцієнту стійкості схилу та величини зсувного тиску мають вигляд:

При розробці і написанні комп'ютерної програми було вирішено скористатися мовою Java, серед переваг якої виділяють архітектурну незалежність, відповідність принципам об'єктно-орієнтованого програмування (ООП), керування розподіленням та звільненням всієї динамічної пам'яті, наявність розвиненої стандартизованої базової бібліотеки класів, підтримку багатопоточного програмування та ін.

В основу програмного комплексу LANDSLIP07 покладено визначення зсувного тиску й коефіцієнта стійкості для різних властивостей ґрунту, сейсмічних та гідрогеологічних умов, оцінки надійності протизсувних споруд, що в подальшому забезпечує можливість передбачення та прогнозування виникнення загрозливих ситуацій, розробки відповідних рекомендації щодо подальшої експлуатації „проблемних” схилів.

З допомогою програми LANDSLIP07 стає можливим виконання чисельного моделювання НДС схилу за умови (рис. 1):

підвищення рівня ґрунтових вод;

підвищення сейсмічності ділянки будівництва;

спільного впливу сейсміки і води;

наявності будівлі (будівель), облаштування котловану, протизсувних стінок.

Рис. 1. Геометрична модель зсувного масиву

На рис. 1 зображені ґрунти з різними фізико-механічними властивостями (в програмі LANDSLIP07 передбачено використання до 10 різних типів ґрунту в межах окремого розрахунку).

У третьому розділі розглянуті питання моделювання прямих і обернених задач у літодинаміці зсувів на базі використання програми LANDSLIP07.

На практиці досить часто виникає необхідність уточнення положення поверхні ковзання, а також фізико-механічних характеристик ґрунту внаслідок неточного встановлення параметрів при інженерно-геологічних вишукуваннях. Усе це виконується методом підбору. Спочатку за встановленими фактично та c у випадку природного стану ґрунту здійснюється пошук найбільш небезпечної поверхні ковзання. З цілого ряду можливих поверхонь ковзання необхідно знайти ті, що задовольняють співвідношення K4>K3>Kст1<K2<K1; K5>K6>Kст2<K7<K8, де K1, K2, K3... - коефіцієнти стійкості схилу для відповідних поверхонь сковзання. В подальшому вибирається одна (екстремальна) поверхня ковзання, для якої коефіцієнт стійкості буде мінімальним.

Розв'язання задачі відносно уточнення та c методологічно зводиться до розв'язання оберненої задачі механіки ґрунтів, з математичної точки зору - до задачі нелінійного програмування відносно знаходження мінімуму квадратичного функціоналу F, що являє собою квадрат відхилу між розрахунковим значенням Кст.розр для поточних значень та c, що формуються обчислювальним алгоритмом та Кст 1:

,

за наявності таких обмежень у вигляді нерівностей:

,

а також при таких обмеженнях у вигляді рівнянь:

де - інші фізико-механічні характеристики зсувного схилу, його геометрія, крива депресії та ін.

Розглядається модельна задача стосовно еволюції та с зсувного схилу (приклад взятий із книги Маслова Маслов Н. Н. Прикладная механика грунтов / Николай Николаевич Маслов. - М. : Изд-во м-ва стр-ва предприятий машиностроения, 1949. - 328 с. (Приклад у книзі зображений на рис. 140, ст. 265, а його розрахунки наводяться на ст. 268).) при варіюванні коефіцієнта сейсмічності µ у діапазоні [0; 0,126]. На рис. 2 і 3 наведені залежності (µ) і с(µ) при Кст 1.

Рис. 2. Еволюція (µ) при с=2

Рис. 3. Еволюція с(µ)при =10

У випадку моделювання прямої задачі було виконано чисельне моделювання НДС схилу при зміні інженерно-геологічних умов, для цього були проведені серійні розрахунки коефіцієнта стійкості та зсувного тиску.

Дані, отримані в результаті обчислень у випадку одночасного врахування сейсмічності та рівня ґрунтових вод на базі використання програми LANDSLIP07, наведені у табл. 1.



Таблиця 1 - Коефіцієнт стійкості схилу Кст за умови одночасного підйому рівня ґрунтових вод та підвищення сейсмічності ділянки будівництва

Номер варіанта	Ступінь заводнення, %	Метод обчислення	Сейсмічність, бали
			1-6	7	8	9
Тестовий	0	Шахунянца	1.16	1.07	0.99	0.87
		Маслова-Берера	1.23	1.15	1.07	0.95
1	33	Шахунянца	1.06	0.99	0.93	0.83
		Маслова-Берера	1.19	1.12	1.05	0.93
2	66	Шахунянца	0.75	0.75	0.72	0.66
		Маслова-Берера	0.99	0.95	0.91	0.84

На рис. 4 для порівняння наведені типові графіки зсувного тиску.

Тестовий варіант (сейсм. 1-6 бал.)

Варіант № 2 (сейсм. 1-6 бал.)

Тестовий варіант (сейсм. 9 бал.)

Варіант № 2 (сейсм. 9 бал.)

Рис. 4. Епюра зсувного тиску: вертикальна вісь - зсувний тиск, мПа; горизонтальна вісь - номер розрахункового блоку зсуву

На основі отриманих результатів можна зробити такі висновки:

Спільний вплив двох факторів - підвищення рівня ґрунтових вод та підвищення сейсмічності будівельної ділянки призводить до інтенсифікації процесів втрати стійкості початково-стабільного схилу.

Збільшення бальності району на 1 бал (до 7 балів) у цьому випадку при несуттєвому підвищенні рівня ґрунтових вод (до 15 %) приводить схил у стан граничної рівноваги (). Підвищення рівня ґрунтових вод (до 50-66 %) при сейсмічності 7 балів призводить до нестійкості схилу () і будь-який зсувопровокуючий фактор може стати критичним для початку руху зсуву вниз по схилу. Схил, який спочатку є стійким () переходить в стан граничної рівноваги () та в подальшому стає нестійким ().

При зростанні сейсмічності на 2 бали (до 8 балів) необводнений схил переходить у стан граничної рівноваги. Поєднання двох факторів, у цьому випадку - зростання сейсмічності та підвищення рівня ґрунтових вод, навіть при малій площі заводнення схилу (15-33%) робить його нестійким ().

Четвертий розділ присвячено аналізу зсувної небезпеки локального і регіонального рівнів. У першому випадку було здійснено оцінку загальної та локальної стійкості схилу на об'єкті забудови (локальний рівень), у другому - просторовий аналіз зсувної небезпеки на прикладі Харківської області із застосуванням ГІС-технологій (регіональний рівень).

Зокрема, з допомогою програми LANDSLIP07 було виконано математичне моделювання стійкості схилів при будівництві житлового будинку у Дзержинському районі міста Харкова по вул. Фронтовій, 3, основною метою якого є оцінка загальної та локальної стійкості схилу (у тому числі з урахуванням прийнятих основних конструктивних рішень щодо спорудження 10-16-ти поверхового житлового будинку).

Оцінка загальної стійкості схилів виконана за допустимими поверхнями ковзання з мінімальними значеннями коефіцієнтів стійкості (Кст). Локальна стійкість схилу і відкосів оцінювалася за підошвою насипних ґрунтів. Розрахунки стійкості схилу і відкосів були виконані методом Г. М. Шахунянца.

Стійкість схилу та відкосів оцінювалася за такими схемами-моделями: при існуючій конфігурації схилу та відкосів, природній вологості ґрунтів чотирьох типів (ґрунти з різними фізико-механічними властивостями виділені в програмі LANDSLIP07 різними кольорами (знизу до гори): блакитним, червоним, синім та зеленим); при існуючій конфігурації схилу та відкосів, при повному водонасиченні ґрунтів; з урахуванням додаткових навантажень від будівлі (в програмі LANDSLIP07 ці навантаження зображені відповідними значками вище від поверхні схилу), яка проектується, при повному водонасиченні ґрунтів. У кожному варіанті для кожної поверхні ковзання були наведені розрахункова схема за програмою LANDSLIP07 та графік зсувного тиску (рис. 5).

Рис. 5. Поверхня ковзання:

а) - розрахункова схема зсуву за програмою LANDSLIP07 з моделюванням будівлі у випадку повного водонасичення ґрунту;

б) - епюра зсувного тиску відповідно до вхідної геометрії схилу

Основні висновки та рекомендації відносно забудови зсувонебезпечного схилу можна сформулювати так:

Інженерно-геологічні умови оцінюються як складні. Ускладнювальними факторами, що потребують урахування при проектуванні, є наявність:

суттєвих ухилів природного рельєфу та стрімких відкосів;

нерівномірної за потужністю, неоднорідної за складом та пухкою за будовою товщі насипних ґрунтів інженерно-геологічних елементів (ІГЕ) 1 (ІГЕ 1 - насипні ґрунти: відвали ґрунтів і суглинків гумусованих, з вмістом будівельного сміття (до 20 %); потужністю 0,5ч8,0 м);

просадкових ґрунтів ІГЕ 2 (ІГЕ 2 - суглинки жовто-бурі напівтверді просадкові; потужністю 0,5ч4,1 м);

В існуючих умовах загальна стійкість схилу забезпечена (Кст = 1.33 > 1,25). При замочуванні ґрунтів можливий розвиток зсувних процесів з глибиною захоплення до 10 м. Стійкість схилу не забезпечена (Кст < 1,0).

Локальна стійкість відкосу, складеного насипними ґрунтами, не забезпечена (Кст < 1,00).

У процесі реалізації проекту будівництва коефіцієнти стійкості схилу перевищать нормативні значення Кст = 1,86 та Кст = 1,91 по різних поверхнях ковзання.

Локальна стійкість стіни заглибленого паркінгу (з боку вулиці Фронтової) у разі замочування ґрунтів знижується (Кст < 1,0), що призводить до тиску на будівельні конструкції. У зв'язку з цим рекомендується вжити таких заходів:

облаштувати нагорну канаву (зливову каналізацію) вздовж вулиці Фронтової;

облаштувати пластовий дренаж.

Для розрахунку утримуючих конструкцій бортів котловану (на період будівництва) рекомендується використовувати максимальні значення зсувного тиску Eзс, які можуть бути обчислені для найбільш заглибленої частини котловану з допомогою програми LANDSLIP07.

Фундаменти будівель можуть бути виконані у вигляді плити, забивних або буронабивних паль.

Часткове засипання балки, що заплановано, можливе за умови організації пропускання зливових і талих вод, а також облаштування пристрою побіжного дренажу (для відведення інфільтраційних вод та вод, які потрапляють у навколо-трубний простір у результаті мікро суфозійних процесів на підході до ділянки, яка освоюється).

Планувальні роботи на ділянці необхідно виконувати пошаровим укатуванням ґрунтів, що запобігатиме: інфільтрації дощових та талих вод, розвитку ерозійних процесів та нерівномірному самоущільненню насипних ґрунтів.

До основних завдань дисертаційної роботи належить просторовий аналіз зсувної небезпеки на регіональному рівні. В основу запропонованої структури інформаційної системи моніторингу зсувонебезпечних схилів було покладено розробку БД та ГІС (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Структура інформаційної системи моніторингу зсувонебезпечних схилів

Розроблена БД має інформаційно-довідковий характер відносно 52 паспортів зсувних ділянок Харківської області стислої форми і даних відносно суми опадів по метеостанціях Харківської області за 20 років (1983-2002 рр.). Інформація може бути використана при експрес-оцінці ризику зсувоутворення. ГІС включає багатошарову інформацію про рельєф, стрімкість схилів, гідрографічну мережу, дорожні смуги, зсувні ділянки та ін. (рис. 7).

Рис. 7. Відстань від зсувних ділянок до дорожніх шляхів Харківської області

На рис. 7 проілюстровано те, що зі зменшенням відстані між дорогою та зсувом кількість зсувів зростає. Хоча територія Харківської області є невеликою за розмірами, її основна частина уражена зсувними процесами, які потребують постійного контролю. У кожному з районів Харківської області спостерігається така тенденція: вплив окремо взятих факторів, що виступають головними чинниками в процесі утворення або активізації зсувів, проявляється більшою або меншою мірою.

Установлені такі зв'язки: «щільність зсувів - площинне підтоплення»; «щільність зсувів - щільність річкової мережі»; «зсуви - стрімкість схилів»; «зсуви - тектоніка»; «зсуви - щільність дорожньої мережі». Більш вагомим у разі є зв'язок «щільність зсувів - щільність річкової мережі», оскільки спостерігається територіально розвинуте порушення рівноваги схилів. Прямого зв'язку «щільність зсувів - площинне підтоплення» у територіальному плані практично не простежується, оскільки підтоплення переважно розвинене на слабкостічних рівнинних ділянках, порівняно віддалених від схилів. Відсутній прямий зв'язок активізації зсувів з тектонічною активністю та горизонтальною розчленованістю території; існує досить слабкий зв'язок з літологічним типом зсувного деформуючого горизонту (ЗДГ) і порівняно тісний зв'язок із стрімкістю схилу.

Домінуючим чинником у розвитку та активізації зсувів на більшій частині території Харківської області виступає техногенний фактор. По-перше, практично скрізь, де зафіксована велика кількість зсувів, у межах територій в аварійному стані перебувають або взагалі вийшли з ладу комунікаційні системи (в цьому разі яскравим прикладом може слугувати ситуація, що склалася навколо м. Харкова), низькою є ефективність дренажної системи, у деяких місцях відсутня система зливової каналізації. По-друге, господарська діяльність проводиться зі значними порушеннями допустимих норм (розорювання земель під сільськогосподарські угіддя поблизу прояву зсувів, викорчовування дерев). По-третє, спостерігається динамічний вплив транспорту: зі зменшенням відстані між дорогою та зсувом кількість зсувів зростає.



ВИСНОВКИ

У процесі дисертаційного дослідження створені ефективні програмні засоби оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів на основі системного поєднання математичного моделювання та ГІС-технологій, які апробовані на прикладі вивчення зсувної небезпеки в межах Харківської області. Наукове значення роботи полягає в тому, що було вдосконалено математичну та розроблено комп'ютерну модель оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів. Прикладне значення дослідження полягає у створенні сучасного АРМ LANDSLIP07 на основі «візуального програмування» з обчислення окремих зсувів, а також геоінформаційної системи Харківської області для оцінки зсувних процесів регіонального рівня з відповідною БД паспортів зсувних ділянок Харківської області і їх погодних умов.

На підставі проведеного дослідження можна сформулювати основні результати, які визначають наукову новизну та практичну цінність дисертації, та відповідні рекомендації:

Проведено аналіз існуючого інформаційного матеріалу і програмно-технічних розробок в галузі математичного та комп'ютерного моделювання, ГІС-технологій з створення моделей відображення зсувних процесів локального та регіонального рівнів, який включає розробку рекомендацій щодо запобігання і локалізації розвитку зсувів та інженерного захисту зсувонебезпечних схилів на великих територіях на основі використання ГІС-технологій, а також окремих ділянок міських територій, передусім тих, що відводяться під забудову, або існуючих будівель і споруд.

За допомогою математичного та чисельного моделювання з використанням нелінійного програмування розв'язана обернена задача механіки ґрунтів відносно ідентифікації фізико-механічних характеристик ґрунту, з якого складається зсув.

Розроблено математичну модель, алгоритм, програму розрахунку НДС схилів, а також АРМ із графічним інтерфейсом, написано і відредаговано програму LANDSLIP07 на базі „візуального програмування”. За основу для розроблення програми було взято мову ООП - JAVA, операційне середовище - UNIX. Програма LANDSLIP07 дає змогу моделювати НДС схилів при підтопленні, землетрусах та інженерній підготовці території.

Узагальнено і проведено математичне моделювання зсувної небезпеки схилу за наявності таких умов: підвищення рівня ґрунтових вод; зміни сейсмічності ділянки будівництва; в результаті системної дії двох факторів: сейсміки і води; за наявності будівлі та при облаштуванні котловану за умови відсутності ґрунтових вод або підвищенні їх рівня.

Установлено, що у випадку, коли схил перебуває у стані стійкої рівноваги (), зсувний тиск симетрично розподілений, має параболічну форму; у міру збільшення навантажень (у вигляді підтоплення, сейсмічних впливів, їх поєднання) схил переходить у стан граничної рівноваги (). Відбувається перерозподіл напруг, відносно симетричний розподіл зсувного тиску поетапно змінюється несиметричним. Стан граничної рівноваги схилу, що досліджується, досягається в разі виконання однієї з умов: обводнення схилу становить 15 %~33%; сейсмічність ділянки - 7-8 балів; сейсмічність - до 7 балів, обводнення схилу - до 15 %. При подальшому збільшенні навантажень відбувається перехід зсувного схилу із стану граничної рівноваги у нестійкий стан . Нестійкий стан досягається за наявності у схилі: обводнення, що становить 33 %~66%; сейсмічності ділянки - 9 балів і вище; сейсмічності у 7 балів та обводненні схилу - 33%. Зміна епюри зсувного тиску за наявності двох факторів впливу відбувається більш інтенсивно, швидше зникає симетрія НДС схилу.

Створено БД, яка має інформаційно-довідковий характер відносно 52 паспортів зсувних ділянок Харківської області стислої форми та даних відносно суми опадів по метеостанціях Харківської області за 20 років (1983-2002 рр.). Ця інформація може бути використана при експрес-оцінці ризику зсувоутворення. Визначено зсувонебезпечні схили на території Харківської області, побудовані карти, діаграми та таблиці даних. При розробці БД був використаний Access.

Розроблено ГІС, яка включає багатошарову інформацію про рельєф, стрімкість схилів, гідрографічну мережу, дорожні смуги, зсувні ділянки, а також дані паспортів зсувних ділянок Харківської області. При розробці ГІС був використаний ArcView. Показано роль різних факторів у розвитку і активізації зсувів на території Харківської області.

Проведена оцінка загальної та локальної стійкості схилу на реальному об'єкті забудови на основі використання програми LANDSLIP07.



Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Глебчук Г. С. З досвіду паспортизації і картування зсувних ділянок у межах населених пунктів / Г. С. Глебчук, Г. Г. Стрижельчик, О. М. Трофимчук [та ін.] // Екологія і ресурси. - 2003. - № 7. - С. 64-70.

2. Глебчук Г. С. Регіональне підтоплення земель в Україні як фактор зростаючого впливу на еколого-економічну безпеку держави / О. М. Трофимчук, Є. О. Яковлєв, Г. С. Глебчук // Екологія і ресурси. - 2004. - № 9. - С. 13-19.

3. Глебчук Г. С. Дослідження впливу щільності гідрографічної мережі та територіального підтоплення на динаміку розвитку зсувів у Харківській області / Г. С. Глебчук // Екологія і ресурси. - 2005. - № 11. - С. 87-91.

4. Глебчук Г. С. Вплив крутизни схилів та щільності дорожніх шляхів на розвиток зсувів на прикладі Харківської області / Г. С. Глебчук // Екологія і ресурси. - 2006. - № 14. - С. 122-125.

5. Глебчук Г. С. Сучасні фактори регіональної активізації зсувів у Харківській області / О. М. Трофимчук, Є. О. Яковлєв, Г. С. Глебчук // Екологія і ресурси. - 2006. - № 15. - С. 97-102.

6. Глебчук А. С. Математическое моделирование устойчивости оползневого склона при подъеме уровня грунтовых вод / А. Н. Трофимчук, Ю. И. Калюх, А. С. Глебчук // Екологія і ресурси. - 2008. - № 18. - С. 51-58.

7. Глебчук А. С. Об устойчивости склонов при изменении сейсмических условий / А. Н. Трофимчук, А. С. Глебчук, В. В. Полевецкий // Будів. конструкції. - 2008. - Вип. 69. - С. 304-311.

8. Глебчук А. С. Математическое моделирование изменения напряженно-деформированного состояния оползневого массива при наличии здания и обустройстве котлована в условиях подтопления / А. Н. Трофимчук, А. С. Глебчук, Ю. И. Калюх // Будів. конструкції. - 2008. - Кн. 1. - Вип. 71. - С. 95-104.

9. Комп'ютерна програма “Програма комп'ютерного моделювання напружено-деформованого стану схилів в умовах зміни інженерно-геологічних умов: підтоплення, землетрусах та інженерної підготовки територій (LANDSLIP07)” / Г. С. Глебчук, О. М. Трофимчук, Ю. І. Калюх // Свідоцтво про реєстрацію авт. права на твір № 26501. Дата реєстрації 18.11.2008. - К.: Держ. департ. інтелект. власності, 2008. офіц. бюл. // «Авторське право і суміжні права»: - 2008. - № 17. - С. 334-335.

10. Кравчук А. С. Территориальная деятельность в строительстве как элемент информационного обеспечения экобезопасности / Г. Г. Стрижельчик, А. С. Кравчук // Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях : Матеріали міжнар. наук.-прак. конф., 8-11 верес. 2002 р. : тези доп. - Рибаче (Крим) : [б. в.], 2002. - С. 162-163.

11. Глебчук Г.С. Використання ГІС для прогнозування і попередження екзогенних геологічних процесів // Підтоплення - 2003. Нагальні питання вирішення проблеми підтоплення ґрунтовими водами територій міст та селищ міського типу : Матеріали 2-га міжнар. наук.-прак. конф., 28-31 жовт. 2003 р. : тези доп. - Х. : [б. в.], 2003. - С. 84.

12. Застосування ГІС для прогнозування і попередження небезпечних екзогенних геологічних процесів (ЕГП) / О. М. Трофимчук, Є. О. Яковлєв, Г. С. Глебчук [та ін.] // Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах : Матеріали 3-тя міжнар. наук.-прак. конф., 15-20 верес. 2004 р. : тези доп. - Рибаче (Крим) : [б. в.], 2004. - С. 11-13.



АНОТАЦІЯ

Глебчук Г.С. Математичне моделювання зсувної небезпеки в умовах підтоплення та сейсмічних впливів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи. - Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України. - Київ, 2010.

Дисертацію присвячено створенню ефективних програмних засобів оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів на основі системного поєднання математичного моделювання та ГІС-технологій, які апробовані на прикладі вивчення зсувної небезпеки в межах Харківської області. Наукове значення роботи полягає в тому, що було вдосконалено математичну та розроблено комп'ютерну модель оцінки зсувної небезпеки локального та регіонального рівнів. Прикладне значення роботи полягає в тому, що створено сучасний АРМ LANDSLIP07 на основі «візуального програмування» з обчислення окремих зсувів, а також геоінформаційну систему Харківської області для оцінки зсувних процесів регіонального рівня з відповідною БД паспортів зсувних ділянок Харківської області і їх погодних умов.

За допомогою математичного та чисельного моделювання з використанням нелінійного програмування розв'язана обернена задача механіки ґрунтів відносно ідентифікації фізико-механічних характеристик ґрунту, з яких складається зсув. Узагальнено і проведено математичне моделювання зсувної небезпеки схилу за наявності таких умов: підвищення рівня ґрунтових вод; зміни сейсмічності ділянки будівництва; в результаті системної дії двох факторів: сейсміки і води; за наявності будівлі та при облаштуванні котловану за умови відсутності ґрунтових вод або підвищення їх рівня.

Ключові слова: зсув, зсувний тиск, коефіцієнт стійкості, комп'ютерна програма, математичне моделювання, поверхня ковзання, епюра зсувного тиску, геоінформаційна система, база даних, карти, зсувна ділянка, стрімкість схилу.



АННОТАЦИЯ

Глебчук А.С. Математическое моделирование оползневой опасности в условиях подтопления и сейсмических влияний. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Институт телекоммуникаций и глобального информационного пространства НАН Украины. - Киев, 2010.

Диссертация посвящена созданию эффективных программных средств оценки оползневой опасности локального и регионального уровней на базе системного объединения математического моделирования и ГИС-технологий, которые прошли апробацию на примере изучения оползневой опасности в пределах Харьковской области.

Автором был осуществлен анализ информационного материала и программно-технических разработок в области математического и компьютерного моделирования, ГИС-технологий по созданию моделей отображения оползневых процессов локального и регионального уровней.

При анализе оползневой опасности склона были использованы методы математического моделирования, в основу которых положены расчеты коэффициента устойчивости склона и оползневого давления. При расчетах коэффициентов устойчивости склонов использовались математические модели оползневого склона Маслова-Берера и Шахунянца. Указанные модели получены на основе теории предельного равновесия грунта при следующих ограничениях: используется гипотеза окаменевшего тела; допускается заранее определенная форма поверхности скольжения; масив сдвига условно разделяют на вертикальные отсеки таким образом, чтобы основание каждого отсека было плоским и однородным; силы, которые действуют на каждый отсек, должны удовлетворять условиям статики.

При определении оползневой опасности склонов для снижения громоздкости необходимых расчетов, а также сокращения времени на их выполнение было решено процесс расчетов полностью автоматизировать.

Разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) с графическим интерфейсом, написана и отредактирована программа LANDSLIP07, которая позволяет моделировать напряженно-деформированное состояние склонов при наличии изменений в инженерно-геологических условиях - при подтоплении, землетрясениях, а также при инженерной подготовке территорий. Программа наиболее полно удовлетворяет требованиям проектировщиков и инженеров-строителей, проста и удобна в использовании.

Проведено сравнительное тестирование полученных результатов при использовании разработанной программы с результатами в научной литературе для отдельных частных случаев, а также с результатами, полученными при использовании канадской программы SLOPE/W: расхождения в данных вычислений составили 3-7%.

Обобщено и проведено математическое моделирование оползневой опасности склона с учетом ряда факторов, а именно: при отсутствии и увеличении уровня грунтовых вод, при изменении сейсмичности участка строительства, при совместном влиянии сейсмики и воды, при наличии котлована или сооружения при условии увеличения уровня грунтовых вод. Осуществлена оценка общей и локальной устойчивости на реальном объекте строительства с использованием программы LANDSLIP07. Приведены соответствующие рекомендации для строительства.

На основе математического и численного моделирования при использовании нелинейного программирования решена обратная задача механики грунтов относительно идентификации физико-механических характеристик грунта, из которого состоит оползень.

Определены оползнеопасные склоны на территории Харьковской области и разработана БД, которая содержит информацию относительно данных паспортов оползневых участков и сумы осадков по метеостанциям Харьковской области за 20 лет. Разработанная ГИС размещает информацию относительно рельефа, крутизны склонов, гидрографии, дорожных полос, оползневых участков Харьковской области и дает возможность проследить влияние этих факторов на процесс оползнеобразования.

Ключевые слова: оползень, оползневое давление, коэффициент устойчивости, компьютерная программа, математическое моделирование, поверхность скольжения, эпюра оползневого давления, геоинформационная система, база данных, карта, оползневой участок, крутизна склона.



ABSTRACT

Glebchuk A.S. Mathematical modeling of landslide's dangers in condition flooding and seismic influences. - The manuscript.

The dissertation on the defending of thesis to award the academic degree of Candidate of Technical Science on specialty 01.05.02 - Mathematical Modeling and Computational Methods. - Institute of Telecommunication and Global Information Space, National Academy of Sciences of Ukraine. - Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted to system analysis of landslide's dangers with use of mathematical modeling and GIS-technologies on creation of models that display landslides process.

Two well-known theoretical models (Maslova-Berer and Shahunianc) are used as a theoretical-methodological base to create program codes for mathematical-computer modeling of LANDSLIP07 behavior: the stability coefficient, landslide pressure. For the creation of program code LANDSLIP07 the object-oriented programming language JAVA was used.

Landslides slopes were determined on territory of Kharkov region. Database was developed, that includes data passports of landslides sites and precipitations on Kharkov region. Developed GIS includes information on relief, steepness of slopes, hydrography, roads and landslide sites of Kharkov area.

Keywords: landslide, landslide pressure, stability coefficient, computer program, mathematical modeling, surface of sliding, epure of landslide pressure, geoinformation system, data base, map, landslides sites, steepness of slopes.

Размещено на Allbest.ru

...