Характеристика небезпечних геологічних процесів і явищ, заходи щодо запобігання їх виникнення та інженерна підготовка території

Тема 5.

Оцінка інженерного стану та соціально-економічних наслідків НС

Характеристика небезпечних геологічних процесів і явищ, заходи щодо запобігання їх виникнення та інженерна підготовка території.

Гідродинамічні аварії. Методика оцінки інженерного cтану при них і заходи захисту населення та території.

Оцінка збитків від наслідків НС .

Вступ

Інженерний стан при надзвичайних ситуаціях – сукупність наслідків дії уражальних чинників НС, у результаті яких мають місце руйнування різних об’єктів (будівель, споруд, комунально-енергетичних мереж, засобів зв’язку і транспорту, мостів, гребель, аеродромів тощо), особливо важливих для життєдіяльності людей.

Змінюючи в результаті господарської діяльності рельєф, розширюючи будівництво різноманітних наземних і підземних споруд, людина в значній мірі викликає розвиток негативних і навіть небезпечних геологічних процесів. Проблема ймовірної і сучасної оцінки стану території і прогнозу їх змін у взаємозв'язку з будівельними роботами досить актуальна і має державне значення.

Поняття "інженерна підготовка території" та "інженерний захист від небезпечних геологічних процесів" потрібно розрізняти. Інженерна підготовка території передбачає проектування і здійснення заходів загального характеру – благоустрій, вертикальне планування, створення дощостоків, внутрішніх шляхів і таке інше. Інженерний захист включає складні та значні по об'єму і вартості будівельні та інші заходи для запобігання чи контролю за розвитком інтенсивних небезпечних геологічних процесів, що виникають під впливом як природних, так і техногенних чинників. Складність інженерно-геологічних умов суттєво впливає на задачі, види і діяльність комплексних вишукувань для обгрунтування схем, ТЕО і проектів інженерного захисту, які слід відокремлювати в програмах робіт на стадіях як проектування споруд, так будівництва і експлуатації їх.

Природні та техногенні зміни, які проходять в геологічному середовищі, збільшення техногенного навантаження супроводжуються різким посиленням небезпечних геологічних процесів.

В межах території України найбільш інтенсивний розвиток мають екзогенні геологічні процеси, що пов'язані з дією сили тяжіння (зсуви, обвали, осипи, лавини), пов'язані з дією поверхневих і підземних вод (схиловий змив, ерозія, селі, карст, суфозія, просадка лесових порід), а також багатофакторні процеси (вивітрювання). Ці процеси характеризуються такими параметрами, як швидкість, повторюваність, об'єм, інтенсивність, площа, амплітуда.

Кількість НС геологічного характеру, що виникли у 2010 році, збільшилася порівняно з 2009 р. на 71, 4 %. Всього виникло 12 НС геологічного характеру, з них: 6 НС спричинені підтопленням, 3 НС – зсувами, 1 – обвалом (карст). В цілому внаслідок цих НС протягом 2010 р. було завдано збитків близько 157 млн. грн.

1.1. Характеристика небезпечних геологічних процесів і явищ

В умовах збільшення техногенного навантаження та значної зношеності основних фондів в Україні збільшуються ризики, пов’язані із небезпечним впливом землетрусів, що, у свою чергу, підвищує рівень техногенної небезпеки в різних галузях народного господарства. Супроводжувані зсувами, обвалами, селями, цунамі та іншими вторинними небезпечними явищами землетруси можуть спричинити тяжкі матеріальні та соціальні наслідки.

Імовірність виникнення землетрусів називається сейсмічністю. Землетруси – це різкі підземні поштовхи і коливання земної кори, що загрожують життю і діяльності людини. Умови будівництва споруд в сейсмічних районах є особливими, специфічними, вони регламентуються спеціальними будівельними нормами і правилами. Сучасні землетруси пов'язані головним чином з геологічними структурами, що підлягають новітнім рухам. За існуючими уявленнями такі структури приурочені до регіональних тектонічних зон розломів - активним рухомим поясам Землі, що розділяють великі геоблоки Землі - континенти і океани. Великим тектонічно активним поясом Землі є Євроазіатський, з яким пов'язані Карпати, Південний Крим, Кавказ.

Землетруси в межах України мають розвиток у Карпатах та Криму. Основною причиною землетрусів є розвиток деформацій в глибоких горизонтах земної кори внаслідок переміщення літосферних плит. При цьому по глибині гіпоцентрів виділяються глибокі землетруси (глибиною більше 100 км), середні землетруси - 50-25 км, неглибокі землетруси - глибиною 10-5 км. Кожен сейсмічний поштовх в межах тектонічно активної території регіону обумовлює сприятливі умови для активного розвитку зсувного процесу.

Так, наприклад, після землетрусу силою 6 балів в березні 1977 р. через 2 роки (квітень 1979 р.) після аномального зволоження (80-100 мм за 2 доби) пройшла масова активізація зсувів (більше 560 зсувів) на території південно-східного Передкарпаття. В цей же період були створені передумови для активізації зсувів в межах Карпатської гірськоскладчастої області (зсув Косівська Поляна, Гребенів та ін.).

Територію України на півдні і південному заході охоплено впливом потужного сейсмоактивного поясу планети. Вплив наявних у поясі напружень охоплює західні області України, Буковину, південно-західну частину Одеської області, південь Миколаївської, Херсонської, Запорізької областей і територію Автономної Республіки Крим (АРК). Пояс включає Карпатську дугу з сильними підкоровими землетрусами в зоні Вранча, великі підкорові землетруси якої з магнітудою 6,8-7,8 здатні спричинити відчутні сейсмічні коливання ґрунту і споруд практично на всій території України.

Найбільш небезпечними на території України екзогенними геологічними процессами є зсуви.

Зсувом називають масу гірських порід, що сповзає або сповзла вниз по схилу або відкосу (штучний схил) під впливом сили ваги, гідродинамічного тиску, сейсмічних і деяких інших сил. Зсуви руйнують схили і відкоси, змінюють їх риси, створюють специфічний зсувний рельєф. Кожен зсув має ту чи іншу ступінь стійкості. Коли маси гірських порід сповзли і причини, що викликали зміщення, повністю чи тимчасово знешкоджені, зсув стійкий. Коли причини лише частково знешкоджені, зсув нестійкий. При проектуванні, будівництві і експлуатації споруд важливо не лише виявити розповсюдження зсувів, прогнозувати можливість їх утворення, але і оцінювати ступінь їх стійкості.

В залежності від глибини захвату порід зсувними деформаціями зсуви розрізняють: поверхневі – до 1 м, неглибокі – до 5 м, глибокі – до 20 м та дуже глибокі – більше 20 м.

Зсуви мають значне поширення на території країни, що зумовлено геологічною будовою та геоморфологічними умовами, наявністю деформуючих горизонтів тощо. Їх кількість складає близько 23 тисячі одиниць і постійно змінюється за рахунок ліквідації (зрізання, зчищення) чи формування нових під впливом природних і техногенних факторів. Кількість зсувів, порівняно із 80-тими роками минулого століття, збільшилася майже на 45%, а площа поширення - на 28,8%.

Активна господарська діяльність без проведенная необхідних інженерно-захисних заходів викликала поширення зсувних процесів на території майже 200 міст і селищ міського типу АРК, Вінницької, Дніпропетровської, Донецької, Закарпатської, Запорізької, Івано-Франківської, Луганської, Львівської, Тернопільської, Харківської, Хмельницької, Черкаської та Чернівецької областей, що являє постійну загрозу виникнення надзвичайних ситуацій.

Площа поширення зсувонебезпечних ділянок у межах міських територій становить понад 42 тисячі гектарів. Найбільшого масштабу зсувні процеси набули на Південному березі Криму, морському узбережжі в Одеській області, правобережжі Дніпра та його правих притоках, Закарпатті та Прикарпатті.

Найбільшу небезпеку становлять зсуви, що відбуваються на забудованих територіях, які можуть виникати миттєво, тому їх важко спрогнозувати. Вплив господарської діяльності на розвиток зсувів пов'язаний із додатковим навантаженням та підрізкою схилів під час будівельних та гірничо-видобувних робіт, створення динамічних навантажень на схили, додатковим обводненням зсувононебезпечних територій, спричиненим надмірним зрошенням, підпиранням рівнів грунтових вод водосховищами та іншими водоймищами, витоками води з водних споруд та комунікацій тощо.

Часто саме розташування інженерних об'єктів на схилах чи поблизу них є провокуючим чинником, який викликає порушення рівноваги в масиві порід. У межах розміщення лінійних об'єктів виникнення процесу, крім вищезгаданих факторів, провокується вібрацією від транспорту.

Зсуви можуть виникати на всіх схилах, починаючи із нахилу в 19°, але на глинистих грунтах та ґрунтах з тріщинами зсуви можуть виникнути і при нахилу схилу 5-7°.

Зсуви формуються переважно на ділянках зволожених ґрунтів, коли сила тяжіння накопичених на схилах продуктів руйнування гірських порід перевищує силу зчеплення ґрунтів. Вони можуть сходити в будь-яку пору року, але в різних районах зсувні явища можна віднести до певного сезону.

За швидкістю руху по схилу зсуви можуть бути: винятково швидкі (3 м/с), дуже швидкі (0,3 м/хв.), швидкі (1,5 м за добу), помірні (1,5 м за місяць), дуже повільні (1,5 м на рік), винятково повільні (0,06 м на рік).

Зсуви, спричинені змінами природних умов, як правило, не виникають раптово. Первинною ознакою зсувних переміщень є поява тріщин на поверхні землі, розрив дороги і берегових укріплень, зміщення дерев тощо.

В окрему групу необхідно виділити зсуви штучних земляних споруд - залізничні насипи, терикони і відвали гірських порід.

Штучними причинами утворення зсувів є руйнування схилів дорожніми канавами, надмірним виносом грунту, вирубкою лісів та інше. Згідно з міжнародною статистикою, до 80% сучасних зсувів пов'язано з діяльністю людини.

Інженерно-геологічна оцінка стійкості зсувів повинна бути комплексною (якісною і кількісною), базуватися на даних вивчення:

– морфології, будови (структури) зсуву, обводненості складових порід і їх фізико-механічних властивостей і попутних геологічних процесів і явищ,

– динаміці розвитку зсувних явищ і співвідношенні зусиль, що визначають рівновагу мас гірських порід, що складають зсув.

При інженерно-геологічній оцінці загрози виникнення зсувів важливо звертати увагу на величину площі, що займає зсув, його розміри, тобто масштаб явища.

Завданням протизсувних заходів є захист території від руйнування зсувами, надання їм і розташованим на них спорудам і угіддям стійкості і забезпечення нормальних умов експлуатації.

Заходи боротьби зі зсувами, виникнення яких обумовлено різними чинниками, наведено у табл. 1.

Таблиця 1

Заходи боротьби зі зсувами

Активні причини зсувів	Заходи боротьби
Мета заходів	Способи
Зміни напруженого стану глинистих порід	Зменшення стрімкості схилів і підкосів	Підрізка земляних мас у верхній частині схилу і викладання їх біля підніжжя для довантаження в місці очікуваного випирання
Підземні води	Перехоплення підземних вод вище зсуву	Горизонтальний і вертикальний дренаж, суцільна прорізь, дренажна галерея, горизонтальні свердловини – дрени.
Поверхневі води	Захист берегів від абразії	Хвилеподібні стінки, хвилеломи, хвилерізи
Атмосферні води	Регулювання поверхневого стоку	Планування поверхні, лотки, кювети, канали
Вивітрювання	Захист ґрунтів поверхневих схилів	Посів трав, заміна ґрунту, заліснення схилів
Сукупність ряду активних причин	Механічний опір руху земляних мас. Зміни фізико-технічних властивостей ґрунтів	Підпорні стінки, свайні ряди, шпунти, контрбанкети. Підсушка і випалювання глинястих ґрунтів, електрохімічне закріплення ґрунтів
Деякі види діяльності	Спеціальний режим у зоні зсуву	Зберігання схилів у сталому стані. Заборона будівництва.
Витік водопровідних і каналізаційних вод	Забезпечення надійності мереж	Улаштування водопроводів із міцних труб або в «сорочці».

Протизсувні заходи:

· регулювання поверхневого стоку: планування поверхні зсуву і прилеглої до нього території (зрізка різноманітних виступів, валів, западин), влаштування системи поверхневих водовідводів, лісомеліоративні роботи;

· дренаж обводнених гірських порід: перехват і відвід підземних вод від зсувної ділянки або зниження їх напорів в межах зсуву;

· перерозподіл мас гірських порід: зрізка порід в активній частині зсуву;

· захист від підмиву і розмиву берегів та схилів;

· закріплення мас гірських порід підпірними і анкерними спорудами;

· штучне поліпшення властивостей гірських порід;

· лісомеліоративні роботи;

· профілактичні заходи: спостереження за динамікою зсувних посувань, збереженням і стійкістю споруд на зсувній ділянці з ціллю попередження аварій, встановлення охоронних зон на зсувній ділянці, спостереження за збереженням і станом роботи протизсувних споруд і їх ремонт, будівництво споруд у відповідності з наступними стадіями розвитку зсувного процесу.

Зсувні процеси можна прогнозувати. Моніторингові спостереження за розвитком сучасних екзогенних процесів надають об'єктивні дані, необхідні для діяльності в галузі захисту від небезпечних екзогенних геологічних процесів (ЕГП), районування їх для оцінки можливості виникнення надзвичайних ситуацій.

Головним виконавцем робіт із вивчення сучасних інженерно-геологічних процесів на державному та регіональному рівнях є Міністерство охорони навколишнього природного середовища та НАК "Надра України".

Іноді великі об'єми гірських порід переміщуються зі швидкістю потяга. За таких умов їх називають обвалами.

Обвал - це відокремлення великого блоку від масиву гірських порід на стрімкому, обривистому схилі, який виникає внаслідок втрати стійкості під впливом різних чинників і спричиняє обвалювання та скатування глибово-щебеневої маси. Це результат послаблення зв'язаності гірських порід унаслідок процесів вивітрювання, підмиву, розчинення та дії сили тяжіння.

Карстом називають всі поверхневі і підземні форми рельєфу, що утворилися при розчиненні і вилуговуванні поверхневими і підземними водами вапняків, доломітів, крейди, мергелей, гіпсу, кам'яної солі. При цьому на поверхні землі утворюються воронки, провали і інші форми рельєфу, а в товщі гірських порід - різноманітні пустоти, канали, печери.

Наявність карсту в тому чи іншому районі, завжди вказує на можливе порушення монолітності і стійкості порід. Тому проектування і будівництво різноманітних споруд в карстових районах і господарське засвоєння територій завжди повинні грунтуватися на результатах більш детальних інженерно- геологічних досліджень. В матеріалах досліджень зі ступенем детальності, що відповідає стадії інженерних вишукувань і проектування, повинні отримати характеристику і оцінку наступні питання:

· глибина залягання розчинних гірських порід від поверхні землі, рельєф їх поверхні, потужність, склад і властивості покриваючих відкладів;

· потужність розчинних порід, ступінь їх закарстованості, вплив на стійкість території;

· активна зона споруд, що проектується, величина розповсюдження її в межі закарстованих порід;

· водопроникність і водонасиченість закарстованих порід, глибина залягання рівня карстових вод, їх напір при проектуванні споруд глибокого закладання;

· інтенсивність розвитку карсту, види, форми і частота його проявлення, причини і умови, що сприяють його розвитку;

· принципи і методи, що застосовуються при будівництві споруд для забезпечення їх стійкості на основі узагальнення досвіду будівництва і експлуатації споруд.

Оцінка ступеня закарстованості гірських порід – це ступінь порушеності їх монолітності в результаті утворення різноманітних пустот і порожнин при вилуговуванні і розчиненні. Кількісно закарстованість порід можна оцінювати відносним об'ємом карстових пустот і порожнин в досліджуваному об'ємі гірських порід, тобто за формулою (1):

3 = ( v / V ) × 100, (1)

де: 3 - показник закарстованості порід, долі одиниці, або %;

v- об'єм пустот у об'ємі порід, що вивчається ;

V - об'єм порід, в межах якого виміряно об'єм карстових пустот.

Карст є особливо небезпечним процесом через те, що його раптова активізація може призводити до виникнення миттєвих провалів чи осідання земної поверхні. Активація карсту на глибинах від 100 до 800 м. викликана розробкою родовищ корисних копалин шахтним способом, яка супроводжується ростом потужності зони інтенсивного водообміну та зниження базису ерозії. У гірських районах Карпат і Криму карстовий процес поширюється на великі глибини: сотні та тисяч метрів, що пов’язано з переміщенням базисів карстування в процесі неотектоннічних і сейсмічних рухів.

За даними спостережень, поширення підземних і поверхневих карстопроявів відмічається на всій території України. Їх кількість становить понад 24 тисячі. Найбільш інтенсивно активізація карстового процесу відбувається під впливом техногенної діяльності (будівництво та експлуатація зрошувальних систем, каналів, розробка родовищ корисних копалин тощо), що підтверджується щільністю поверхневих карстопроявів.

Особливого розвитку карст набув у районах видобутку солей (Солотвинське, Калузьке, Стебніцьке, Ново-Карфагенське родовища), що розташовані у Закарпатській, Івано-Франківській, Львівській та Донецькій областях та сірки (Немирівське, Язівське, Роздольське, Гуменецьке та Тлумачівське родовища) у Львівській, Івано-Франківській та Тернопільській областях.

Селями називають повені, що відбуваються на гірських річках і тимчасових водотоках, які несуть багато уламкового матеріалу (глиб, щебеню, валунів, гальки, піску) і глинистого дрібнозему. Вони відносяться до гравітаційних процесів. Селі несподівані і короткочасні, відбуваються з великими і порівняно великими швидкостями, проходять за 3-5 годин. В залежності від переважаючого складу твердого матеріалу селі можуть бути водокам'яними, грязекам'яними і грязьовими.

На території України понад 30 міст, сіл та сільських населених пунктів у Криму, Закарпатській, Івано-Франківській, Чернівецькій і Львівській областях піддаються впливу селевих потоків. В Карпатах виявлено понад 290 селевих водозаборів. Найбільшою активністю характеризуються басейни річок Дністра, Тиси, Пруту.

Абразія - це геологічний процес руйнування берегів морів і озер під дією хвиль, прибою. З часом виробляється більш-менш полога широка тераса, на якій гаситься енергія хвиль і подальший розвиток тераси зупиняється. По мірі виробки абразійної тераси встановлюється положення берегової смуги. Продукти руйнування відкладаються диференційовано. Абразія поширена майже на всіх ділянках узбережжя Азовського та Чорного морів. Посилення темпів абразії останніми десятиріччями пов'язується з інтенсивною господарською діяльністю (зарегулювання річкового стоку, нераціональне освоєння пляжної смуги, безконтрольне надмірне видобування піску з підводних кар’єрів, порушення природного режиму міграції наносів). Довжина абразійних берегів у межах України складає 914 км на Чорному морі та 253 км на Азовському.

Абразія берегів штучних водосховищ як на рівнинах так і в гірських умовах проходить зі швидкостями, які на 2-3 порядки перевищують швидкість абразії морських берегів, складених корінними породами. В техногенних умовах багато ділянок берегів морів і озер захищаються від руйнівної дії хвиль. В районах портів встановлюють захисні споруди - моли, пірси та ін.

Суффозія - вилуговування розчинних солей грунту, порушення мікроагрегатної структури грунтів і вимивання в глибину з низхідними потоками води тоненьких частинок гірської породи, які в подальшому також виносяться підземними водами. Це викликає осідання всієї вище залягаючої товщі з утворенням на поверхні понижень.

Підтоплення є одним з найбільш розповсюджених сучасних геологічних процесів, що розвивається в природних умовах та під впливом техногенних чинників, особливо як наслідок проведення водогосподарських заходів (наявність іригаційних систем, водосховищ, каналів тощо).

Упродовж останніх років найбільші площі підтоплення фіксуються в межах південних областей – Херсонської, Миколаївської, Одеської, Дніпропетровської, Донецької, Запорізької та південно- східних Полтавської, Харківської областей та АРК, де процес розвивається не тільки в межах заплав та надзаплавних терас річкових долин та днищах великих балок, а й на вододілах.

У західних областях України найбільші площі підтоплення співпадають з площею гірничих робіт у Львівсько-Волинському басейні У межах Червоноградського гірничопромислового району підтоплення територій фіксується на площі майже 62 км². Загальна площа підтоплення в межах Львівської області становить 0.25 тис. км².

1.2. Оцінка інженерного стану

З метою визначення масштабів руйнування, обсягів, термінів і черговості, а також сил і засобів для проведення рятувальних та невідкладних робіт проводиться оцінка інженерного стану.

Перш за все необхідно визначити ступені руйнування населеного пункту і об'єктів господарювання. Знаючи ступінь руйнування, можна визначити величину збитків, обсяги рятувальних і невідкладних робіт.

Ступені руйнування характеризуються наступними критеріями.

Повні руйнування — це руйнування всіх елементів будівель, у тому числі підвальних приміщень, та ураження людей, що знаходяться в них. Збитки становлять більше 70 % вартості основних виробничих фондів (балансової вартості). Подальше їх використання неможливе.

Сильні руйнування — це руйнування частини стін і перекриття поверхів, їх деформація, виникнення тріщин у стінах та ураження значної кількості людей, що знаходяться в них. Збитки ставлять від 30 до 70 % вартості основних виробничих фондів (балансової вартості). Можливе обмежене використання будівель, що збереглися. Відновлення можливе після капітального ремонту.

Середні руйнування — це руйнування переважно другорядних елементів будівель і споруд (покрівлі, вікон, дверей і перегородок), виникнення тріщин у стінах. Підвальні приміщення зберігаються, перекриття залишаються. Люди уражаються частіше уламками конструкцій. Збитки становлять 10—30 % вартості основних виробничих фондів (балансової вартості будівель). При середньому ремонті відновлюються техніка, транспорт та промислове обладнання. Будівлям необхідний капітальний ремонт.

Слабкі руйнування — це руйнування вікон, дверей та перегородок. Ураження людей можливе уламками конструкцій. Підвали і нижні поверхи не пошкоджуються. Вони придатні для використання після поточного ремонту будівель. Збитки становлять до 10 % вартості основних виробничих фондів (будівель). Відновлення можливе після середнього або поточного ремонту.

Після виникнення надзвичайної ситуації для оцінки матеріальних збитків і втрат населення в населених пунктах узагальненим критерієм є ступінь ураження населеного пункту, який можна визначити за формулою (2):

С_р = П_р/ П_нп, (2)

де С_р — ступінь руйнування населеного пункту (об'єкта); П_р — площа руйнувань; П_нп — загальна площа населеного пункту (об'єкта).

Вплив масштабів руйнування населеного пункту на ступінь руйнування об'єктів подано в табл. 2.

Таблиця 2

Вплив масштабу руйнування населеного пункту на ступінь руйнування об'єктів

Ступені руйнування об'єктів, %	Ступінь руйнування населеного пункту
0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Середні
Повні й сильні

Виходячи зі ступенів руйнування населеного пункту орієнтовно можна визначити втрати незахищеного населення (табл. 3).

Таблиця 3

Втрати незахищеного населення залежно від ступенів руйнувань населеного пункту

Види втрат населення, %	Ступінь руйнування населеного пункту
0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Загальні
Безповоротні			1,5
Санітарні, у т. ч.:			7,5
легкі	1,5	2,6					13,5
середні		2,5		3,5
важкі	0,5		1,5	1,5			4,5

Близько 80 % потерпілого населення буде потребувати надання першої медичної допомоги. Таку допомогу можуть надавати санітарні дружини. Потреби в санітарних дружинах можна визначати за формулою:

П_сан.др= У : А_сан.др∙ t, (3)

де П_сан.др – кількість санітарних дружин; У – кількість уражених; А_сан.др–можливості сандружин за годину; t — час роботи (годин).

Спеціалізована медична допомога надається в обсязі 50 % від санітарних втрат.

Кількість сил і техніки, необхідних для проведення невідкладних і рятувальних робіт, визначають за допомогою табл. 4.

Таблиця 4

Кількість осіб рятувальних загонів і техніки, необхідних для невідкладних і аварійних робіт

Необхідна кількість:	Ступінь ураження населеного пункту
0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Осіб рятувального загону, тис. чол.	0,6	1,3	1,9	2,3	2,4	2,6	2,8	2,9	3,3	3,6
Одиниць інженерної техніки

Прогнозовану оцінку пошкоджень інженерних мереж і комунікацій населеного пункту можна визначити за матеріалами додатку.