Инженерные изыскания и техногенные катастрофы и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

О некоторых механизмах техногенных катастроф

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
май 2009, Санкт-Петербург
доклад на VII Международном форуме по промышленной безопасности. СПб, 2009

     В течение последних нескольких лет был обнаружен ряд новых, неизвестных ранее физических эффектов и явлений, знание которых позволяет прогнозировать многие из известных техногенных катастроф. Вот эти эффекты в хронологическом порядке, но отнюдь не по степени их важности:
     1-й эффект. В 1977 году было выявлено, что сейсмосигналы представляют собой гармонические затухающие сигналы [1]. Это указывает на то, что земная толща и Земля в целом представляют собой колебательные системы. В простейшем случае, плоскопараллельный породный слой толщиной h [м] является колебательной системой с собственной частотой f0 [Гц], определяемой следующим выражением:

f0 = 2500 / h          (1)

     В общем случае, при многослойности осадочных пород выражение (1) приобретает следующий вид:

f0i = 2500 / hi          (1')

     2-й эффект. В 1993 году было обнаружено, что в зонах тектонических нарушений (ЗТН) добротность гармонических затухающих сейсмосигналов имеет повышенные значения. Из этого следует, что в этих зонах возникновение резонансных явлений может иметь катастрофические последствия [2]. Как показали исследования, добротность в зонах тектонических нарушений может достигать значения, равного 100 и даже превышать его.
     3-й эффект. В 1998 году было выявлено, что в ЗТН имеют место колебания грунта. Эти колебания имеют планетарное происхождение. Они имеют очень низкую частоту и очень большую амплитуду [3]. Период этих колебаний - минуты и более, а амплитуда - до 10см. Наличие планетарной пульсации не позволяет считать грунт безусловно неподвижным, что заставляет изменить отношение к общим принципам строительного дела [4].
     В порядке реализации 1-го и 2-го эффектов был создан геофизический метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП), с помощью которого оказалось возможным выявлять зоны тектонических нарушений.
     Спектральная сейсморазведка представляет собой регистрацию сейсмосигнала, возникающего в результате ударного воздействия на горный массив, и последующее преобразование этого сигнала к спектральному виду. Сейсмосигнал регистрируется в непосредственной близости от точки ударного воздействия. Профилирование заключается в повторении сейсмоизмерений при движении измерительной установки с постоянным шагом вдоль заданного направления (профиля). Реализация спектральной сейсморазведки стала возможной после создания сейсмоприемника [5], не вносящего спектральных искажений в сейсмосигнал. Пример ССП-разреза приведен на рис.1.
     Каждый вертикальный объект на ССП-разрезе - это спектральное изображение сейсмосигнала, полученного в соответствующей точке профиля. Толщина каждого вертикального объекта в точках раздува пропорциональна добротности соответствующей спектральной составляющей сейсмосигнала. Пересчет частотной оси в ось глубин осуществляется в соответствии с соотношением (1).
     

ССП-РАЗРЕЗ
Высоцк, Выборгский р-н, Лен. обл.
Пример ССП-разреза
Рис. 1

     Для региона, в котором осуществлялся этот профиль, характерна небольшая, порядка 5-10м, мощность пород, отделяющих кровлю гранита от дневной поверхности. На ССП-разрезе видна щель (трещина) в граните (от 3м до 20м профиля). Глубина этой щели достигает 100м. Получить эту информацию с помощью других геофизических методов невозможно.
     Это нарушение сплошности гранита (показано штриховой линией) является причиной разрушения дома, построенного в этой зоне.
     При большей мощности осадочных пород непосредственно кровлю кристаллических пород увидеть, как правило, не удается. Но само нарушение, а вернее, зона тектонического нарушения прорисовывается на ССП-разрезе своеобразным V-образным объектом или одной его образующей. Пример такого объекта приведен на рис.2.

ССП-разрез вдоль канализационной магистрали
пл. Репина, СПб
ССП-разрез вдоль канализационной магистрали
Рис. 2

     Для непривычного глаза на этом разрезе штриховыми линиями показаны очертания образующих V-образных объектов.
     Интерес к ЗТН возник в связи с тем, что еще в 1993 году было замечено, что дом, оказавшийся в этой зоне, неизбежно разрушается. Кстати, и ССП-разрез, приведенный на рис.2, получен примерно тогда же, при профилировании на пл. им. Репина, СПб. На участке профиля 110-115м непрерывно разрушается находящаяся на глубине 20м шахта канализационного коллектора.
     Изучение этого феномена с помощью метода ССП привело к разработке методики для оценки и прогнозирования состояния сначала наземных, а затем и подземных объектов.
     Опыт проведения ССП показал, что, вопреки существующему мнению, величина протяженности зон тектонического нарушения не всегда большая. Так, из того, что нам удалось наблюдать, диапазон протяженности ЗТН - от единиц метров до полукилометра.
     Наблюдения последних 15 лет показали, что ЗТН являются фактором, повышающим вероятность техногенных катастроф. В случае, если инженерное сооружение оказалось в этой зоне, оно обречено на преждевременное разрушение. В зависимости от параметров ЗТН, разрушение может быть очень постепенным и длительным, а может быть и мгновенным, и происходить даже в период строительства [6].
     Как оказалось, разрушения инженерных сооружений, оказавшихся в ЗТН, происходят под воздействием на них планетарной пульсации (3-й эффект). Механизм разрушения очень прост. Представим себе, что часть фундамента находится в условиях неподвижного грунта, вне ЗТН, а часть - в этой зоне, в условиях колеблющегося грунта. Возникающие при этом знакопеременные изгибные напряжения неизбежно разрушат фундамент.
     Наличие этого эффекта наконец-то позволило объяснить происхождение субвертикальных и косых трещин в стенах разрушающихся домов, поскольку никакими другими воздействиями кроме периодического изгиба фундамента такие разрушения получить невозможно.
     Под воздействием планетарной пульсации разрушаются трубопроводы, поскольку, если труба зажата в двух соседних точках - в одной - в подвижном, а в другой - в неподвижном грунте, то труба лопнет точно так же, как и фундамент дома, оказавшегося в подобных условиях. Аналогичным образом разрушаются и рельсы железнодорожного полотна.
     Исследования позволили найти причину одной из наиболее таинственных и довольно типичных аварий - разрушения мостов. Поскольку русла рек, как оказалось, всегда лежат в зонах тектонических нарушений, и при этом центр ЗТН, как правило, смещен к одному из берегов, то одна из опор мостов может оказаться в этой зоне. Совершенно естественно, что тот край моста, который окажется на подвижной опоре, будет разрушаться.
     Обобщая, можно сказать, что причина разрушения сооружений - в подвижности грунта. Обнаружение этого фактора означает поворотную точку в развитии строительной науки как таковой, поскольку исходным положением всех строительных технологий является аксиоматическая неподвижность грунта. Считалось, что надежность инженерных сооружений определяется прочностью несущих конструкций. Сейчас же стало понятно, что нельзя проектировать сооружения, игнорируя подвижность грунта. Потому что возникает конфликт между жестким и неподвижным фундаментом и подвижным грунтом, в результате чего и происходит разрушение фундамента. Как показывает опыт, противостоять планетарной пульсации невозможно.
     Налицо совершенно парадоксальный вывод, который заключается в том, что чем выше прочность и монолитность фундамента, тем вероятнее его разрушение.
     Так, например, большое недоумение вызывает разрушение сверхпрочных железобетонных плит, т.н. плавающих оснований, применяемых при строительстве по технологии монолитного строительства. Эта технология представляется наиболее надежной, а по факту я не могу назвать ни одного дома, построенного по этой технологии в СПб, где не развивались бы трещины. В начале 90-х я был свидетелем того, как лопнула такая плита, предназначенная для установки механизмов на ЛАЭС, причем оборудование еще даже не начали устанавливать. Причиной аварии Трансвааль-парка в феврале 2004 года стало возникновение трещины в железобетонной плите толщиной 0,7м, которая служила его основанием.
     Планетарная пульсация сводит на нет все преимущества и достоинства свайных фундаментов. Дело в том, что свая, оказавшаяся в ЗТН, не только не держит нагрузку и уходит в грунт под собственным весом, но еще и прецессирует, выламываясь из ростверка. А в случае, если таких свай несколько, то они способствуют излому ростверка или железобетонной плиты, в которую они заделаны [7].
     Это мы рассмотрели механизм разрушения сооружений, оказывающих статическое воздействие на грунт. В случае же, если инженерное сооружение оказывает на грунт кроме статического еще и динамическое, то есть, вибрационное воздействие, включается механизм разрушения, обусловленный первыми двумя физическими эффектами.
     В случае вибрационного воздействия на колебательную систему при совпадении частоты вибрации с собственной частотой колебательной системы возникает резонанс. При возникновении резонанса амплитуда колебаний начинает возрастать. Увеличение этой амплитуды происходит от периода к периоду, а рост амплитуды ограничен добротностью колебательной системы. Так, например, при добротности колебательной системы, равной 10, амплитуда на резонансе стремится увеличиться в 10 раз. В случае более высокой добротности возрастание амплитуды ограничено пределом прочности колеблющегося объекта. В силу конструктивных особенностей наиболее высокой добротностью обладают мосты. Поэтому разрушение их происходит даже при таких незначительных воздействиях как прохождение маршевым шагом небольших воинских отрядов.
     Резонансные явления при вибрационном воздействии на грунт проявляются мгновенным, удароподобным образованием провала грунта. Столь же мгновенно разрушается и проваливается находящееся там инженерное сооружение. Это явление хорошо известно и имеет название техногенного землетрясения или горного удара [8].
     Вот краткий перечень объектов, наиболее часто страдающих от горных ударов: насосные станции, электростанции (в том числе, и АЭС), подземные выработки шахт и рудников, железные дороги.
     В аспекте рассматриваемой проблемы состояние резонанса не может быть длительным, стационарным, поскольку прекращается разрушением вибрирующего объекта. Поэтому горные удары возникают в моменты изменения режима работы, а именно, при изменении скорости оборотов главного исполнительного механизма, и изменяющейся вследствие этого частоты вибрации. Если частота вибрации приблизится к резонансной частоте, тогда начнется плавное увеличение амплитуды вибрации, которое завершится разрушением.
     На железных дорогах резонанс наступает при определенной скорости движения состава. При этом пересечение поездом зоны тектонического нарушения, характеризуемой наличием залегающих в земной толще высокодобротных колебательных систем, приводит к плавному, от вагона к вагону, увеличению амплитуды вибрации тела насыпи. При достижении некоторой предельной амплитуды происходит мгновенный провал насыпи со шпалами и разорванными при этом рельсами, и тот вагон, который не проскочил эту зону в последний момент, отрывается от той части состава, которая эту зону уже прошла [9].
     Подобные аварии на железных дорогах, когда состав без всяких видимых причин рвется на две части, происходят очень часто. Так, только в течение одного месяца, с 21 июня по 21 июля 2007 года в России произошло 8 подобных аварий. Они описаны в работе [9]. С пассажирскими поездами это происходит значительно реже, чем с товарными, и поэтому очевидцев таких аварий очень мало.
     13-го августа 2007 года, как раз в этот период, в Новгородской обл. произошла авария с поездом N166 Москва - Петербург. Как всегда, сразу возникло множество различных, в том числе, и взаимоисключающих друг друга версий. В таких случаях, очень важны и существенны те свидетельские показания, которые делаются людьми, не понимающими физики того явления, очевидцами которого они оказались. Вот как очевидцы - пассажиры этого поезда - описывают то, что происходило непосредственно в момент аварии этого поезда:
... сначала поезд начало трясти, после чего последовал хлопок. В этот момент те, кто находились в середине состава, почувствовали, что вагоны как будто провисли. Локомотив и первые три вагона после хлопка по инерции еще продолжали движение, а средние - 5, 6 вагоны и вагон-ресторан - стали заваливаться набок. Проводники, которые не один год работают на этом маршруте, потом признавались, что стали прощаться с жизнью, так как на их памяти такое произошло в первый раз"[10]. Ключевой момент - это то, что очевидцы перед ударом ощутили сильную вибрацию.
     Только за время подготовки настоящей работы прошло два сообщения о подобных авариях:

  • 03.04.2009 г. - http://echo.msk.ru/news/583149-echo.html - на Урале с рельсов сошли семь вагонов товарного поезда. ЧП произошло на участке Тюмень-Свердловск. По невыясненной пока причине последние вагоны с железной рудой оторвались от состава и сошли с рельсов;
  • 05.04.2009 г.- как сообщили в региональном МЧС, под Петербургом с рельсов сошли семь последних вагонов товарного поезда, из них две цистерны с дизельным топливом и одна с бензином перевернулись, в результате чего топливо начало вытекать. Погибших и пострадавших при происшествии нет.

     Признаком приближения момента катастрофы (типа горного удара) является возникновение и усиление вибрации. Об этом постоянно приходится слышать от тех, кто пережил аварию на насосных станциях. Об этом же сообщали очевидцы Чернобыльской катастрофы. Во время изменения режима турбин началась вибрация, которая завершилась сейсмическим толчком. Непосредственно взрыв реактора произошел только через 20 секунд после этого толчка. Мне представляется это серьезным доказательством того, что причиной Чернобыльской катастрофы был горный удар.
     Следовательно, для оперативного прогноза техногенной катастрофы объекта, оказывающего на грунт динамическое воздействие, необходимо осуществлять регистрацию вибрации фундамента, особенно, в моменты изменения режима вибрирующих механизмов. Долгосрочный прогноз - это выявление и картирование ЗТН.
     Для прогноза железнодорожных аварий, кроме того, необходимо определение собственных частот залегающих в земной толще в ЗТН колебательных систем с тем, чтобы избегать скорости движения поезда, при которой возможно возникновение резонанса.
     Принять точку зрения, согласно которой поверхность Земли не есть твердь, и что увеличение прочности фундаментов не приводит к увеличению надежности сооружений, очень непросто, и на это нужно большое время. Однако есть и еще один фактор, влияющий на возникновение техногенных катастроф. Он заключается в том, что у организаций и лиц, которые, казалось бы, должны быть заинтересованы в предотвращении аварий, потребности в этом нет. А в ряде случаев, даже более того, имеет место нескрываемая заинтересованность в том, чтобы аварии происходили. Явление это массовое, и поэтому называть конкретных лиц не имеет смысла. Вот некоторые из случаев, которые иллюстрируют этот фактор.
     Наши возможности по прогнозированию железнодорожных катастроф докладывались в железнодорожных научно-исследовательских организациях. Однако там либо утверждают, что это не входит в их компетенцию, либо, более откровенно, что не в их интересах внедрять чужие научные разработки.
     Наши возможности по прогнозированию порывов трубопроводов докладывались на конференциях, а также в многочисленных публикациях. Реакция на удивление единодушная, и заключается она в том, что аварии на трубопроводах являются настолько выгодными для тех, кто их обслуживает, что никаких мероприятий, которые могли бы уменьшить вероятность аварий, они проводить не будут.
     На сегодняшний день, можно утверждать, что в уменьшении техногенных катастроф заинтересованы лишь те лица, для которых авария чревата личными потерями. Вот для них мы и работаем, и уменьшение техногенных катастроф в этом секторе налицо.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. О структуре поля упругих колебаний при сейсмоизмерениях.
  2. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений (ЗТН).
  3. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
  4. Гликман А.Г. Планетарная пульсация как механизм формирования тектонических процессов.
  5. "Сейсмоприемник" Гликман А.Г., Симанский И.А., Стародубцев А.А., Патент N 2059266 Б.И. №12, 1996.
  6. Гликман А.Г. Как и почему рушатся дома в мирное время.
  7. Гликман А.Г. Сваи - это хорошо или плохо?
  8. Гликман А.Г. О резонансной природе землетрясений.
  9. Гликман А.Г. О некоторых разновидностях аварий на железных дорогах.
  10. Свидетельства очевидцев. www.newsru.com/russia/14aug2007/train.html


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: