и методах ее
Мокрицкая Т.П.
Анализ динамики геологической среды в условиях техногенных воздействий - актуальная проблема. Изучение изменений геологической среды под влиянием техногенных воздействий во времени - одно из средств разработки методики оценки устойчивости. Геологическая среда Криворожского железорудного бассейна подвергается интенсивному техногенному воздействию. По оценкам специалистов объединения Укрюжгеология , состояние геологической среды близко к катастрофическому. Крупнейшей в Украине является природно техническая литосистема Криворожского металлургического завода (ПТЛ КМЗ).
При выполнении настоящей работы автор придерживался основ теории изменчивости, концепции множественности форм устойчивости, понятий об устойчивости (геологической) среды изложенных в работах Бондарика Г.К., Гродзинского М.Д., Рудько Г.И. Изучена динамика исторического центра предприятия. Обработаны результаты 67-летних инженерно-геологических изысканий. В работе изучено влияние физических воздействий механического и гидродинамического подклассов. Показателями воздействий приняты интервальные (безразмерные) оценки и точечные. Первые характеризуют относительную площадь воздействий в долях от площадки подсчета. Это: коэффициент антропогенности ландшафта Sa (Федотов В.И., 1985), коэффициент относительной площади транспортных магистралей SL, коэффициент локализации техногенных грунтов SMT , коэффициент относительной распространенности зоны техногенного обводнения SMO. Вторые (абсолютные - мощности техногенных грунтов и обводненной толщи, уровень грунтовых вод и др.) привлечены к множественному корреляционному анализу. Относительный характер безразмерных показателей не является препятствием для количественной оценки прямых техногенных воздействий. Различная интенсивность механических воздействий учтена при выборе показателей и обосновании частных шкал. Каждый показатель характеризует интенсивность техногенного воздействия определенного вида. Количественная оценка динамики техногенных воздействий осуществлена картографическим методом, способом картограмм. Площадь и форма площадки подсчета (1 км кв , квадрат) близка к параметрам природных бассейнов первого порядка. Период 1933 2000 годов разделен на отдельные стадии, различающиеся интенсивностью техногенного воздействия. Интегральный показатель техногенных воздействий рассчитан как среднее по каждой из площадок на I - IV стадиях.
По результатам изучения фондовых материалов, публикаций Н.П.Семененко (1972), А.А. Гойжевского (1981), Ю.Д.Шковыры (1976), К.Ф. Тяпкина (1999) установлены региональные факторы инженерно геологических условий. Территория расположена в зоне морфоструктурного узла, на границе Криворожско - Кременчугского палеорифта и Приднепровского палеосвода. Геологическими параметрами определены состав, свойства и условия залегания стратиграфических горизонтов плейстоцена; условия функционирования техногенного водоносного горизонта, морфометрические показатели бассейновых систем. Динамика среды охарактеризована моделями развития процессов: подтопления, уплотнения, линейной эрозии, деградации просадочных свойств. Установлено, что наиболее объективным является показатель SMO , который соответствует изменению консистенции грунтов в объеме зоны аэрации при данной конструкции фундаментов и значениях плотности застройки. Наблюдается соответствие зоны обводнения ( максимум SMO ) и техногенного воздействия ( Sa) в случае квазистационарного режима ПТЛ.
Для изучения процессов уплотнения на элементарном уровне выполнено моделирование методом конечных разностей (по Флорину Н.А.). Рассмотрено одномерное уплотнение грунтового основания при переменной нагрузке (средние условия). Моделирование выполнено для оценки состояния оснований группы длительно функционирующих сооружений прокатного цеха. Предполагалась фильтрационная консолидация основания при подтоплении (Тер Мартиросян З.Г., 1990). При одномерной постановке ползучесть скелета не учитывалась, влияние защемленного газа учтено. Установлен сложный характер распределения напряжений в активной зоне. Наблюдается миграция ослабленных и уплотненных прослоев. В 1980-2000 годы произошла перестройка структуры зоны. При оптимистическом сценарии (стабилизации подтопления) к 2010 году произойдет только частичная стабилизация напряженно-деформированного состояния.
Начальная просадочность массива рассматривается как количественная характеристика константности, меняющаяся - пассивности. Просадочность характеризуется величиной суммарной просадки по разрезу (Трофимов В.Т., 1994г.). Рассчитаны обобщенные значения, характеризующие суммарную просадку в пределах заданной площадки подсчета (которая близка к площади бассейна первого порядка и блока в зоне субширотного разлома). Длительность деградации просадочных свойств (более 60 лет) характеризует буферность системы, сокращение интервала значений суммарной просадки по разрезу на каждой из стадий следствие переходов в рамках инварианта. Обводнение в зоне максимумов привело к различной по режиму деградации просадочных свойств, что определило приращение эрозионных форм. Различие режима просадочных деформаций связано со способностью эрозионных систем к саморегуляции. Изменение пространственных закономерностей распределения свойств водовмещающего бугского горизонта полностью подтверждает эту зависимость. Статистически подтвержденная взаимосвязь указанных процессов представляет цикл. Так, коэффициент множественной корреляции градиентов линейной эрозии (III стадия) и градиентов суммарной просадки (II и III стадия) равен 1,0. Частный коэффициент 0,429, значим. Градиенты линейной эрозии зависят от градиентов суммарной просадки на предыдущей стадии (r = 0.498, значим). Не значима корреляционная связь между градиентами УГВ,градиентами Sa и ростом линейной эрозии. Связь между градиентами линейной эрозии и приращением локализованных воздействий техногенных грунтов прямая. Отрицательный результат получен при анализе статических распределений показателей техногенного воздействия и густоты эрозионной сети. Несоответствие техногенных воздействий и линейной эрозии в статическом аспекте, выборочное соответствие градиентов - следствие конформности функциональных структур подсистем ПТЛ. В данном случае корреляционные отношения являются значимыми, что подтверждено проверкой значимости коэффициентов корреляции, хотя, несомненно, заниженными.
Важнейшей формой устойчивости геологической среды является восстанавливаемость, что подтверждается закономерными изменениями свойств горизонтов, бассейновых систем низших порядков, развития обводнения, деградации просадочных свойств массива. Зона транзита оказалась функционально устойчива при техногенных воздействиях. Увеличение порядков бассейновых систем сопровождается слабым ростом морфометрических показателей ЭМЕ (длин тальвегов и площадей бассейнов первого порядка). Приуроченность куполов техногенных вод к областям размыва - следствие функциональной восстанавливаемости. Достижение предела восстанавливаемости указывает на переход в другую локально-устойчивую область, на проявление орбитальной пластичности (Гродзинский М.Д.). Доказательством существования орбиталей является цикличность взаимосвязи просадочного уплотнения и линейной эрозии (см. выше результаты сплайн-корреляционного анализа). Поскольку восстанавливаемость просадочности невозможна, реализация потенциальных деформаций (IY стадия) сопровождается выходом за рамки инварианта. Под инвариантом понимается восстанавливаемость - реализация пары потенциально возможных процессов объемных изменений при техногенных воздействиях механического и гидродинамического подклассов. Одновременно произошло формирование мощной обводненной зоны, распределения свойств изменены повсеместно, корреляционные и регрессионные соотношения нарушены, высока вероятность отказов за счет перестройки зон уплотнения элементарных ПТЛ. Для ненарушенных техногенным воздействием условий для каждого из стратиграфических горизонтов в пределах активной зоны характерно соответствие распределений свойств рельефу кровли, т.е. сингенетическим условиям. Активная реакция сопровождается изменением пространственных закономерностей распределения свойств, четко выраженной зависимостью от зоны разломного нарушения. Преодоление инертности элемента наступает после ликвидации просадочных свойств; восстанавливаемости после техногенного преобразования всей области взаимодействия, когда свойства не зависят от условий залегания, палеорельефа и других геологических факторов. Во времени реакция горизонтов не совпадает. Введен коэффициент дискретности геологической среды на локальном уровне. Величина коэффициента соответствует суммарной за время формирования элементов (горизонтов) густоте горизонтальной расчлененности. Сходимость коэффициента дискретности и густоты горизонтального расчленения на III стадии есть доказательство перехода от инертности к восстанавливаемости в масштабе ПТЛ КМЗ. Следовательно, оценка кризисных состояний подсистем корректна, если выполнена по соответствию эмерджентной восстанавливаемости (как резерва функциональной унаследованности) техногенному воздействию подобной природы. Задачей является установление барьеров, переход через которые свидетельствует о переходе к восстанавливаемости другого элемента (горизонта) или подсистемы. Для изучаемого частного случая взаимодействия геологической среды и техногенных воздействий такой барьер определен. Значение интегрального показателя, соответствующее узлу сплайн-регрессионной линейной модели, определяет изменение зависимости между интенсивностью техногенных воздействий и реакцией массива, обозначает точку перехода за пределы элементарного цикла. Модель механической (локальной) устойчивости геологической среды представлена как модель деградации просадочности при техногенном воздействии. По результатам множественного корреляционного анализа (зависимости суммарной просадки от частных и интегрального показателей техногенных воздействий) доказана лучшая корреляция со значениями интегрального показателя. Коэффициент парной корреляции r равен 0,639, значим.