Розрахункові методи в еколого-геоморфологічних дослідженнях

Розрахункові методи в еколого-геоморфологічних дослідженнях – це визначення пружно-деформаційного стану масивів порід і їхньої стійкості, які можуть вплинути на характер і динаміку сучасних морфодинамічних процесів.

Застосовують для з’ясування стійкості порід:

1. на схилах;
2. над виробленим простором;
3. щодо впливів статичних і динамічних навантажень;
4. щодо водних потоків.

Розрахункові методи активно використовують для оцінки стану та прогнозів розвитку:

• зсувів та обвалів;
• сельових потоків;
• формування берегів морів, озер, водосховищ;
• карстових провалів і просадкових явищ у лесах;
• загального потенціалу процесів та їхньої інтенсивності.

Розрахунками оцінюють процеси і явища в цілому, а також чинники, що їх визначають. Наприклад, підпір підземних вод і пов’язані з ним гідродинамічні та гідростатичні сили, зміни стану порід, вплив землетрусів, техногенні впливи тощо.

Розрахунки особливостей проходження процесів ґрунтуються на схемах будови геологічного середовища і механізмах його розвитку. Припускають, що геологічне середовище є пружним, суцільним, породам властиві дискретність і пружно-пластичні деформації, тоді як ґрунтові маси рухаються як в’язкопластичні тіла.

Розрахунками оцінюють деформації від прикладених напруг на який-небудь статичний момент. Їхня зміна в часі досягається виконанням серії розрахунків з відповідно уточненими параметрами геологічного середовища та прикладених сил.

За змістом розрахункові методи бувають

• інженерні,
• числові (скінченних елементів, сіток),
• імовірнісно-статистичні.

Достовірність розрахунків нерідко буває невисокою, зі значними відхиленнями від реальності. Це пов’язано з невідповідністю теоретичної основи методу та спрощенням складності довкілля. Проте розрахунки є ефективним засобом аналізу рельєфотвірних процесів, які розвиваються у конкретний момент на окремо взятій території. Вони дають змогу з’ясувати зміну кінцевого результату за різних крайніх значеннях показників, виявляють вплив окремих чинників зі зміною показників.

Для кожного методу розрахунку існує своя геомеханічна схема, для якої реальна геологогеоморфологічна обстановка відповідно перетворюється. У цьому випадку враховують механізм розвитку процесу.

Розрахунок карстових процесів

Імовірно-статистичний метод. Передбачають, що інтенсивність карстових провалів пропорційна густоті лійок і їхнім розмірам на поверхні землі (за В.В. Толмачовим, 1980). Інші дослідники – З.А. Макєєв, Г.А. Максимович (1963), І.А. Саваренський (1962), К.А. Горбунова (1979) теж характеризують ступінь стійкості території за показником N – появою нових карстових лійок (їхня кількість, сумарна площа або об’єм) за рік на площі 1 км². Що більше виникає лійок, що більша їхня загальна площа або об’єм, то інтенсивніші карстові процеси.

Метод аналізу чинників. Визначають вплив незалежних між собою чинників: глибина залягання порід, що карстуються; потужність глин над ними, крутість земної поверхні тощо. Оцінюють значимість кожного чинника щодо впливу на кількість провалів (що більший вплив, то більше балів) як результат карстових процесів. Що більше враховують чинників, то крива зв’язку факторів і розвитку процесів ближча до нормального розподілу.

Метод активності карсту. Н.В. Родіонов рекомендує обчислювати швидкість карстових процесів за показником сучасної активності карсту – це відношення кількості розчиненої речовини у відсотках до загального об’єму порід, що карстуються, за тисячоліття. Кількість розчинених порід визначають на підставі даних режимних спостережень за сумарною мінералізацією вод джерел і водоносного горизонту в оцінюваному масиві.

Розрахунок зсувних процесів

Для пластичних і зсувів-потоків обчислення потребують врахування таких чинників. Для першої групи – літологічний склад порід, потужність покривних відкладів, крутість поверхні незміщених порід, крутість схилу, гідрогеологічні умови, кількість опадів. Для другого типу враховують, крім зазначених, – кулонове тертя між уламками у зсуві, коефіцієнт турбулентного опору, оскільки цей тип є модифікацією гідравлічної моделі. Що більший вплив кожного чинника на процес зсуву, то чутливіший процес до його зміни.

Під час вивчення зсувних процесів обчислюють стійкість схилів. Умови стійкості схилів та укосів можна визначати за допомогою коефіцієнта стійкості К

Методика обчислення стійкості схилу (укосу) має враховувати:

• особливості інженерно-геологічних умов схилу (укосу), враховуючи дані про товщину шарів ґрунтів, які деформуються, їхні фізико-механічні властивості;
• вид зсувних деформацій схилу (укосу);
• силову дію основних зсувоутворювальних чинників;
• дії (постійні та тимчасові), їхнє поєднання (основні й особливі);
• вплив існуючих і проектованих будівель і споруд на стійкість схилу (укосу);
• для сейсмічних районів варто враховувати сейсмічну дію на споруди інженерного захисту і на утримуваний масив ґрунту згідно з ДБН В.1.1-12 [19].

Розрахункові методи визначення стійкості схилів:

1. інженерні – Філленіуса-Терцагі, М.М. Маслова, Г.М. Шахунянца та ін. (див. п.3.4.4.3). Допомагають обчислити коефіцієнт запасу стійкості Ky [54];
2. експериментально-розрахункові, засновані на попередньому визначенні напружено-деформованого стану порід схилу на моделях або розрахунковим шляхом, на подальшому зіставленні величин напруг з показниками міцності порід по всьому розрізу;
3. розрахунково-експериментальні – на моделях з еквівалентних матеріалів і на центрифугах, які дають змогу проаналізувати наростання напруги;
4. методи визначення величин і розподілу напруг: чисельні, скінченних елементів і варіаційно-різницевих.

Виконують розрахунки зсувонебезпечних схилів для однорідних і неоднорідних геологічних схилів; розраховують поверхні ковзання за певних кутів нахилу і форм схилів (рис. 2.5.5) тощо.

Рис. 2.5.5. Схема до розрахунку стійкості схилу з відображенням найбільш небезпечного варіанта кривої ковзання на локальній ділянці схилу. Показано лінією з крапом [62]

Розрахунок стійкості обвальних схилів

Розрахунок стійкості обвальних схилів проводять на підставі кількісної та якісної характеристик тріщинуватості, зі складанням прогнозу інтенсивності осипання продуктів вивітрювання і розмірів скельних брил, враховуючи бальність можливого сейсмічного впливу.

Для розрахунку стійкості схилу (укосу) треба враховувати діапазони зміни природних і техногенних навантажень, дій, характеристик міцності ґрунтів і умов їхньої зміни за рахунок можливості замочування ґрунтів схилу (укосу) водами зони аерації, витоками з водоносних комунікацій, у прогнозованому підйомі рівнів підземних вод і зниженні їхніх характеристик міцності, зміни навантажень на поверхні схилу (укосу) тощо [19].

Розрахунок переробки берегів водосховища

Наприклад, береги деякого водосховища складені делювіальними пилуватими суглинками, алювіальними пісками та супісками, давніми зсувними накопиченнями, глинисто-уламковими незміщеними породами.

Процеси переробки берегів матимуть три стадії:

1. в делювіальних та алювіальних відкладах – розмокання пилуватих порід;
2. у давніх зсувних відкладах, де спостерігається підпір підземних вод, – вивітрювання, хвильовий та ерозійний розмив;
3. у незміщених карбонатних породах – якщо лінія урізу зміщуватиметься вглиб схилу, то розвинуться зсуви.

Зростатиме крутість схилів під час настання другої і третьої стадій. Такий розрахунок ґрунтується на активності проходження процесів у різних геологічних породах.

Розрахунок процесів підтоплення

Охоплює такі елементи:

• оцінку складових водного балансу території (атмосферні опади, поверхневий стік, інфільтраційне живлення ґрунтових вод, фільтрація підземних вод), у тім числі техногенні складові балансу (додаткове живлення ґрунтових вод, екранування непроникними поверхнями);
• гідрогеологічні розрахунки зон зниження рівнів ґрунтових вод під впливом запобіжних дренажів або штучних водотоків;
• розрахунки обсягів поверхневого стоку та конструктивних параметрів систем поверхневого водовідведення;
• гідрологічні розрахунки середніх та екстремальних витрат води, рівнів води у водних об’єктах, розподілу стоку усередині року та багаторічних коливань.

Для обґрунтування параметрів захисних споруд від підтоплення виконують гідрогеологічні розрахунки зон їхньої дії, гідравлічні розрахунки та підбір фільтрувальних обсипок [58].

Отже, розрахункові методи дають змогу кількісно оцінити параметри сучасних морфодинамічних процесів, передбачити можливі зони їхнього впливу на довкілля та розробити ефективні заходи захисту від негативної дії цих процесів.