автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Методика выделения селеопасных участков на основе анализа аэрокосмической информации

2740

международный академический союз

На правах рукописи

Степанов Дмитрий Владимирович

МЕТОДИКА ВЫДЕЛЕНИЯ СЕЛЕОПАСНЫХ УЧАСТКОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада.

Москва. 2009г.

Работа выполнена в ООО Научно-производственном комплексе «ГЛОБАЛЗОНД»

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, Спиридонов Эрнст Серафимович;

кандидат технических наук, Тевит Анатолий Яковлевич.

Защита состоится_^ ноября 2009 г. в {<& на заседании диссертационного совета Д 097.024 МАИ.032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада мэжно ознакомиться в диссертационном совете Д 097.024 МАИ.032.

Автореферат разослан_¿2-, -¿<о. 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Г.Е.Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Результаты анализа состояния элементов инфраструктуры сети железных дорог Российской Федерации позволяют сделать вывод о том, что основными препятствиями для увеличения скоростей движения поездов, веса поезда и осевых нагрузок, а в конечном итоге - факторами, ограничивающими рентабельность и снижающими безопасность железнодорожного транспорта, являются дефекты и деформации земляного полотна, составляющего около 7,3% общего протяжения железных дорог или 6298 км. Среднестатистическое распределение дефектов (по оценкам департамента пути и сооружений ОАО "РЖД") представлено на рис. 1.

29 ■ Дефекты поперечного профиля земляного полотна

2990/ □ Деформации основной площадки

Я Сплывы откосов и осадки 1 М^ ® Водоразмывы, оползни, обвалы и сели

17,1%

Рис. 1. Среднестатистическое распределение дефектов земляного полотна сети железных дорог (по оценкам департамента пути и сооружений ОАО "РЖД").

Однако, эти дефекты неравномерно распределены по участкам сети железных дорог. Данный факт обусловлен разнообразием инженерно-геологических и климатических условий эксплуатации железных дорог, неравномерностью удельной доли и развития различных неблагоприятных геологических процессов и явлений на территориях.

Например, специалистами департамента пути и сооружений ОАО "РЖД" отмечается [1], что на Северо-Кавказской железной дороге недостаточны объемы усиления земляного полотна, а работам по скально-обвальным участкам и оползневым косогорам не уделяется должного внимания.

Вероятно, это замечание наиболее актуально для перегона Туапсе-

Адлер. Практически на протяжении 100 км земляное полотно находится под

воздействием волноприбоя и подвергается разрушению как со стороны моря

так и под воздействием селей и оползней, угроза возникновения которых по-

3

стоянно существует в границах скально-обвальных и оползневых косогоров на более чем 45 км (-43% длины перегона) их совокупной протяженности.

Так, сходы селей, связанные с деформацией земляного полотна, завалами и нарушениями пути, на перегоне носят систематический характер.

В частности, 21 июня 2005 года на 1907 километре железной дороги Москва-Адлер, на перегоне Лазаревское-Водопадное в 3:21 из-за схода селя сошел с рельсов грузовой состав из 18 порожних вагонов (рис. 2).

Объем наносных масс каждого из двух сошедших селевых потоков составил почти 200 кубометров.

Рис. 2. Результат схода селевого потока

Проблема усугубляется рядом факторов, к которым, в том числе, относятся:

- абразионный характер берега (за исключением аккумулятивного Адлерского мыса и небольшой зоны перед Сочинским портом);

- благоприятные геологические и метеорологические условия для активного развития оползней и селей;

- недостаточные объемы ресурсов, выделяемых на работы по усилению земляного полотна;

- ослабленное состояние имеющихся в путевом хозяйстве ПМС по земляному полотну (средняя укомплектованность бригад по ОАО "РЖД" на 2004 г. составляла ~53%, ПМС на Северо-Кавказской дороге ПМС переданы

в дорожно-строительные тресты и работают на объектах строительства, большой износ строительной и ремонтной техники).

В сложившихся условиях повышение эффективности работ по усилению земляного полотна и использования ограниченных ресурсов невозможны без создания современной комплексной системы мониторинга земляного полотна, основанной на диагностике его состояния, режимных наблюдениях за изменениями, прогнозе деформаций, принятии необходимых решений по усилению.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы явилась разработка методики определения селеобразных участков на основе анализа аэрокосмической информации.

В соответствие с этой целью в диссертации были поставлены и реализованы следующие основные задачи:

1. Характеристика проблемы и постановка задачи исследования.

1.1. Характеристика проблемы.

1.2. Постановка задачи исследования.

2. Исследование процесса селеобразования и определение возможности вскрытия мест воздействия селей по материалам аэрокосмической съемки.

2.1. Геоморфологические основы возникновения селей.

2.2. Определение возможности вскрытия мест воздействия селей по материалам аэрокосмической съемки.

2.3. Особенности определения селевой опасности для объектов железной дороги на перегоне Туапсе-Адлер.

3. Разработка методики выявления селеопасных участков по материалам аэрокосмической съемки.

3.1. Способ оценки показателей водостока.

3.2. Критерии и ограничения.

3.3. Методика выявления селевых водотоков.

3.4. Краткая характеристика способа классификации селеопасных водотоков.

3.4.1. Показатели и ограничения.

3.4.2. Оценивание объемов рыхлого обломочного материала.

3.4.3. Методика классификации водотоков по степени селеопасности.

4. Результаты апробации.

4.1. Результаты выявления селевых водотоков.

4.2. Дополнительные преимущества использования разновременных материалов аэрокосмического мониторинга для оценки селеопасных участков.

Научная новизна диссертации объединяет решение следующих вопросов:

• геоморфологические основы возникновения селей;

• принципы вскрытия мест воздействия селей;

• способ оценки показателей водостока;

• показатели и ограничения процесса вскрытия зарождения селей;

• расчеты объемов рыхлого обломочного материала;

• классификация водотоков по степени селеопасности.

Практическая значимость работы

Практическое использование разработанной методики на основании дешифрирования склонов, обращенных к железной дороге - на перегоне Туапсе-Адлер выявило 4295 русел постоянных и временных водотоков. Дальнейшее углубление разработанной методики позволило свести это число до 197 водотоков, которые могут сформировать селевые потоки с объёмом твёрдой составляющей, превышающей 1 м3.

В настоящее время на Северо-Кавказской железной дороге по этим водостокам ведутся профилактическо-строительные работы.

Результаты работы используются также для определения мест скально-обвальных образований, выявления оползневых склонов и пораженных участков, а также возможных зарождения грязевых и снежных лавин.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Глава 1. Исследование процесса селеобразования и определение возможности вскрытия мест воздействия селей по материалам аэрокосмической съемки

1.1. Геоморфологические основы возникновения селей

Под селевыми потоками или селями понимаются внезапно возникающие кратковременные разрушительные горные грязекаменные потоки, насыщенные обломочным материалом (до 50-70% общего объема), образующиеся в руслах горных рек и временных водотоков во время длительных дождей и ливней, при интенсивном таянии снега и льда, а также при прорыве плотин, естественных и искусственных запруд в долинах, где имеются запасы рыхлого обломочного материала [2].

Сели - сложное полигенетическое явление, обусловленное взаимодействием ряда факторов: - климатических;

- гидрологических;

- геоморфологических;

- инженерно-геологических.

Важнейшим фактором, определяющим формирование селевых потоков, являются гидрометеорологические условия. Ливневые дожди и интенсивное таяние ледников и снежников способствует увеличению расходов горных водотоков и формированию жидкой составляющей селей. Установлено, что селевые потоки образуются в водотоках с уклонами русла не менее ОД [3].

Скорость и энергия селевого потока в значительной степени определяются такими гидрологическими характеристиками, как площадь бассейна, конфигурация его русла, наличие участков, создающих заторы.

Вторым по значению фактором, определяющим формирование селевых очагов, является наличие рыхлого обломочного материала, который может быть вовлечен в селевой поток, образую его твердую составляющую.

7

Не менее важная роль в формировании селевых потоков принадлежит деятельности человека, уничтожающего лесные насаждения и почвенный покров, способствую нарушению устойчивости горных склонов и пополнению твердой составляющей селевых потоков.

Таким образом, необходимыми условиями возникновения селей являются:

а) горный или холмистый рельеф с крутыми, преимущественно обнаженными склонами;

б) значительные (не менее 0,1) уклоны русел постоянных и тальвегов временных водотоков;

в) накопления рыхлого или слабосвязанного обломочного и песчано-глинистого материала на склонах долин и в руслах водотоков;

г) интенсивно размываемые стоками (в том числе, ливневого характера, реже - бурного снеготаяния) участки;

д) подпруды (завалы) на горных реках (образованные отложениями древних обвалов, оползней, селевых потоков);

е) потенциально опасные участки прорыва гидротехнических сооружений (места реального и/или потенциального размыва перемычки накопившейся водой, перелива через запруду, интенсивной попятной эрозии или суффозии естественных и/или искусственных запруд).

1.2. Определение возможности вскрытия мест воздействия селей по материалам аэрокосмической съемки

Основной задачей гидрологического дешифрирования является выявление бассейнов с возможным селевым режимом стока и определение их гидрологических характеристик.

Использование материалов аэрокосмической съемки целесообразно при решении двух задач по изучению селей:

1. Оценка селеопасности территорий путем составления карт селео-пасности.

2. Оценка активности и динамики селевых процессов.

При этом целесообразно применять комплекс аэро- и космических материалов, основываясь на опыте применения аэрометодов при изучении селей [4].

На основе дешифрирования может быть проведена типизация водосборных бассейнов.

При дешифрировании водотоков, являющихся зоной транзита селевых потоков, дешифрируются:

- резкие перегибы в продольном профиле рек;

- сужения и расширения русел;

- подпруженные озера;

- характер рельефа и размеры пойм, степень зарастания их растительностью и характер ее нарушенности.

Весьма физиономично на материалах съемки проявляются зоны аккумуляции селевого материала, чаще всего выраженная конусами выноса, наличием деформаций бортов днища долины и рядом других геоморфологических признаков.

При дешифрировании условий селеобразования важен инженерно-геологический аспект, в рамках которого изучаются возможности питания селевых потоков продуктами разрушения горных пород, образующимися в результате различных экзогенных геологических процессов.

В пределах участков с максимальной селевой опасностью необходимы более детальные исследования с получением режимных характеристик по активности и повторяемости селей. На этих участках целесообразно использовать материалы повторных съемок. В результате подобного динамического подхода к изучению селей могут быть получены характеристики, отражающие:

- тенденции развития селей;

- направленность селевых потоков;

- масштаб их проявления в зависимости от объема поверхностного

стока;

- цикличность селепрохождения.

9

1.3. Особенности определения селевой опасности для объектов железной дороги на перегоне Туапсе-Адлер

К селеопасным относятся участки возможного воздействия селевых потоков на земляное полотно железной дороги.

Несмотря на то, что железная дорога на перегоне Туапсе-Адлер проложена непосредственно по морскому побережью, рельеф местности со стороны берега в основном имеет горный или холмистый характер, нередко с крутыми обнаженными склонами.

По результатам предварительных обследований установлено, что до 80% русел (тальвегов) постоянных и временных водотоков, примыкающих или пересекающих земляное полотно железной дороги перегона Туапсе-Адлер, имеют уклоны свыше 0,1.

Поймы и русла большинства временных водотоков и малых рек практически полностью маскируются широколиственной растительностью верхнего полога. В результате, накопления рыхлого или слабосвязанного обломочного и песчано-глинистого материала дешифрируются только на открытых участках, образовавшихся в результате различных экзогенных геологических процессов (обвалов, оползней и т.п.), либо хозяйственной деятельности человека, уничтожающего растительный и нарушающего почвенный покров.

В ходе предварительных исследований подпруд (завалов) на горных реках, а также потенциально-опасных участков прорыва гидротехнических сооружений выявлено не было.

Следовательно, для выявления и классификации по степени опасности участков железной дороги, на которые возможно воздействие селевых потоков необходимо решить следующие основные задачи:

- выявить водотоки, которые могут являться зоной транзита селевых потоков (определение резких перегибов в продольном профиле рек; сужения и расширения русел; подпруженных озер; характера рельефа и размеров пойм, степень зарастания их растительностью и характер ее нарушенности).

- выявить места аккумуляции рыхлого обломочного материала, который может быть вовлечен в селевой поток, образующий его твердую составляющую (места активного разрушения горных пород, образующиеся в результате различных экзогенных геологических процессов).

- определить места, подверженные техногенному (антропогенному) воздействию, оказывающих существенное влияние на формирование селевых потоков (уничтожение лесных насаждений, почвенного покрова и т.д.).

Учет климатических особенностей данного региона (достаточно теплые зимы, не сопровождающиеся накапливанием снежного покрова) позволяет предположить, что основным источником образования водной составляющей селевых потоков являются ливневые дождевые осадки. Интенсивность ливней в районе Северного Кавказа, формирующих селевые потоки, составляет около 0,3 мм/мин.

Таким образом, земляное полотно перегона Туапсе-Адлер железной дороги практически на всем протяжении может быть подвержено воздействию селевых потоков.

В 2006 году с участием автора проведена работа по геотехнической диагностике объектов инфраструктуры по материалам аэрокосмического мониторинга перегона Туапсе-Адлер, одной из задач которой было определение селеопасных участков [5]. В результате обследований было выявлено 12 участков различной степени селеопасности общей протяженностью около 20 км (рис. 3).

Такой результат практически исключает возможность принятия мер по противодействию селевому воздействию объектов железной дороги, так как противоселевые сооружения (лотки, галереи, подпорные стенки и пр.) достаточно затраты в строительстве и не могут быть возведены по всей протяженности участков.

□ Участки высокой степени сслсопасности □ Участки средней степени сслсопасности □ Потенциально селеопасные участки

пк 4

|

1885 1888 пк 1 1905 пк5 1910 пкЗ 1923 пк7 1935 пк 5 1950 пк 1 1954 пк7 1955 пк 1 1960 пк9 1965 пк 10 1967

Рис .3. Распределение участков различной степени селеопаснсти по длине перегона Туапсе-Адлер

Причиной недостаточности результатов стало использование преимущественно количественных показателей при оценке селеопасности участков: общего количества водотоков, их длины, среднего уклона склонов, количества и площадей выявленных источников твердой составляющей селевых потоков и т.п.

Однако, не каждый водоток является потенциальным селевым руслом. Очевидно, учет качественных характеристик конкретных водотоков по определенной методике позволит выделить уже не участки, а непосредственно места возможного воздействия селей на объекты железной дороги.

То есть, требуется разработка нового подхода к выявлению как мест возможного селевого воздействия, так и их классификации по степени опасности.

Глава 2. Разработка методики выявления селеопасных участков по материалам аэрокосмической съемки

2.1. Способ оценки показателей водостока

Поражающее воздействие селевого потока определяется, в первую очередь, объемом твердой составляющей. В соответствии с определением селевого потока, различный обломочный материал может составлять до 70 % селевой массы.

Следовательно, для выделения опасных селевых водотоков по показателю объема селевой массы, необходимо определить водотоки, способные нести количество воды, соответствующее выбранному критерию.

Водосток в результате выпадения ливневых осадков происходит со всей площади водосбора. Однако количество воды, находящейся в пределах площади и проходящей через створ водотока, различно.

С началом дождя в створ попадают воды, ближе всего выпавшие к нему. Далее объем воды нарастает по мере стекания вод с участков, расположенных дальше от створа. Максимальный объем воды 0,тах будет находиться в пределах площади водосбора Рв и протекать через створ после достижения него водами, выпавшими в самой удаленной точке водосбора на длину основного русла Ьрв.

Таким образом, объем воды, находящейся в водотоках, зависит от следующих величин: площади водосборов, интенсивности ливня, скорости стока воды и длины основного русла водотока.

Существующие нормативные документы по расчетам стоков вод [6-8] дополнительно оперируют рядом частных показателей, таких как: средняя высота слоя воды на водосборе; коэффициент стока, учитывающий потери инфильтрации, а также других, учитывающих реальные физико-географические условия районов расположения водосборов.

В случае, когда не требуется точного измерения параметров водостока, а производится лишь оценка максимального объема воды, который он может собрать по критериям минимальности, различными частными показателями и коэффициентами, не определяемыми по материалам аэрокосмической съемки, можно пренебречь.

Для простейшего случая двускатного одноруслового водотока (рис. 4) максимальный собирающийся в его пределах объем воды может быть определен следующим образом.

Рис. 4 Схема двускатного одноруслового водотока

Время стока воды с площади водосбора водотока, с учетом принятых ограничений может быть рассчитана по формуле:

и =и„ / Чт , (3.1)

где, - длина основного русла водотока; - скорость стока.

Максимальный объем воды, накапливающийся в площади водосбора водотока, рассчитывается по следующей формуле:

б= , (3-2)

/7=0 £

где, ктах - высота подъема воды в минуту при максимальной интенсивности ливневых осадков.

Для водосборов более сложной формы объем накапливаемой воды за счет учет увеличения времени стока к основному руслу будет только возрастать. Таким образом, выбранный способ оценки максимальных объемов воды соответствует заданному критерию минимальности возможной оценки.

2.2. Критерии и ограничения

Негативное воздействие могут оказать сели, сошедшие по обращенным к железной дороге склонам. Предполагаемые зоны транзита селевых потоков определяются по профилям русел постоянных и тальвегам временных водотоков.

Часть русел имеют ветвления (притоки), каждый из которых может стать как самостоятельной зоной транзита селевых потоков, так и источником пополнения (дебета) водой основного потока.

Русла, имеющие в нижней, примыкающей к железной дороге, части уклон менее 0,1 на протяжении не менее 800 м (в случаях, когда длина основного русла водотока превышает указанную величину), относились к несе-леопасным и из дальнейшего рассмотрения исключались.

Тальвеги и борозды временных водотоков, не пересекающих и не примыкающих к железной дороге, из дальнейшего рассмотрения также исключались, поскольку конус выноса твердой составляющей во5можных селевых потоков образуется вне границ земляного полотна.

Возможность возникновения селевых водотоков в руслах постоянных и временных водотоков, примыкающих или пересекающих земляное полотно железной дороги, оценивалась по достаточности их наполнения водой во время дождевых паводков.

Для однорусловых водотоков без выраженной площади водосбора ширина площади, участвующей в водосборе, принималась равной Юм.

В связи с тем, что требовалось не оценить реальные объемы водостоков, а лишь отсечь водотоки, не способные сформировать селевые потоки, использовались следующие критерии и ограничения:

- объем твердой составляющей селевых потоков, способной повредить элементы земляного полотна, железнодорожного пути или вызвать остановку в движении поездов должен составлять не менее 1 м3;

- максимальная интенсивность ливневых осадков принималась на уровне 0,5 мм/мин;

- скорость потоков принималась равной скорости течения постоянных водотоков в зоне обследований с уклоном русла менее 0,1-2 м/с;

- время стока воды со склонов водосбора (склонового добегания) принималось не превышающим времени стока воды по основному руслу (руслового добегания);

- не учитывались коэффициенты водоотдачи и шероховатости русла;

- учитывалось только время водоотдачи (без учета времени смачивания, инфильтрации и т.п.);

- при оценке площадей водосбора и длин водотоков использовались значения их проекций на плоскость Земли.

Поскольку минимальный объем твердой составляющей селевых водотоков был выбран в размере 1 м3, объем воды для его переноса, в соответствии с определением селевого потока, должен составлять не менее:

—х100%«1,4л3 . (3.3)

70%

Критерием отнесения русла постоянного или тальвега временного водотока Г„ к множеству селеопасных водотоков {Ксв} являлась возможность накопления водотоком не менее 1,4 м3 максимального объема воды:

(3.4)

2.3. Методика выявления селевых водотоков

Для выявления потенциальных селевых водотоков, способных оказать воздействие на объекты железной дороги, из всего множества отдешифриро-ванных водотоков выбираются пересекающие или примыкающие к земляному полотну.

Измеряется длина основного русла .

По топографической карте определяется уклон русел и исключаются русла, имеющие в нижней, примыкающей к железной дороге, части уклон менее 0,1 на протяжении не менее 800 м (в случаях, когда длина основного русла водотока превышает указанную величину).

Далее для отобранных водотоков определяются все примыкающие русла и границы водосбора.

По границам рассчитывается площадь водосбора для каждого из потенциальных селевых водотоков ■

По формуле 3.2 рассчитывается максимальный объем воды, накапливающийся в площади водосбора водотока.

По критерию 3.4:

Q¡>lAмl=>rm&{Rcв},

определяется возможность отнесения русла постоянного или тальвега временного водотока к множеству селеопасных водотоков

«

2.4. Краткая характеристика способа классификации селеопасных водотоков

2.4.1. Показатели и ограничения

Существуют методики определения степени селевой опасности водотоков путем расчета коэффициента селеопасности, например, методика ВСЕГИНГЕО [9]. Однако они носят общий характер, при этом используют отдельные частные показатели (например, свойства грунтов), которые невозможно определить по материалам аэрокосмической съемки.

Классификация селеопасных водотоков проводилась по степени потенциальной опасности. В общем случае она определяется интенсивностью селевых потоков, которая зависит от величин следующих параметров:

- объемов дебета воды (уровня осадков, интенсивности таяния снегов

и т.п.);

- длины основного русла водотоков;

- площади водосбора;

- степени уклона русел;

- объемов рыхлого обломочного материала, который может быть вовлечен в селевой поток;

Неопределенный (вероятностный) характер, при условии ливневого происхождения селей, имеет только объем дебета воды. Остальные показатели, как правило, статичны или имеют прогнозируемый характер изменений во времени и пространстве и могут быть использованы для классификации селеопасных участков по материалам аэрокосмической съемки.

Решение задач осуществлялось при следующих ограничениях:

- весовые коэффициенты для всех показателей считались одинаковыми (равными 1);

- при формировании конечного результата взаимное влияние и корреляция показателей не исследовалась;

- при оценивании объемов рыхлого обломочного материала не учитывался характер грунтов.

2.4.2. Оценивание объемов рыхлого обломочного материала

Объем рыхлого обломочного материала, который может быть вовлечен в селевой поток, оценивался следующим образом.

Твердую составляющую селевых потоков образуют продукты разрушения горных пород, образующиеся в результате различных экзогенных геологических процессов.

Активно развивающиеся экзогенные геологические процессы обычно сопровождаются нарушением растительного и почвенного покрова. Обнаженные участки горных склонов начинают разрушаться еще активнее, формируя базу для подпитки селевых потоков. В ходе дешифрирования площадей водосбора селевых потоков было выявлено 258 участков нарушенного растительного и/или почвенного покрова.

Не менее важная роль в формировании селевых потоков принадлежит деятельности человека, уничтожающего растительный и почвенный покров, способствуя нарушению устойчивости горных склонов. Всего в зонах водосбора селевых потоков было выявлено 9 участков размещения сыпучих материалов и/или проведения земляных работ.

В условиях горной и холмистой местности с развитым почвенным покровом, эрозивное разрушение склонов обычно приводит к развитию оползневых процессов. На особо крутых участках склонов в результате эрозии могут происходить обвалы и осыпи. Места и границы развития подобных процессов хорошо определяются по материалам аэрокосмической съемки даже на склонах, покрытых густой древесной растительностью. Так, в результате дешифрирования площадей водосбора селеопасных водотоков, было выявлено 30 эрозионно-оползневых участков, а также 79 обвально-оползневых косогоров.

Необходимо учитывать, что степень наполнения водой селевых водо-

*

токов, от которой зависит возможность транзита твердой составляющей селей, повышается по мере приближения к железной дороге. Поэтому наибольшее значение при наполнении селевых потоков имеют обвально-оползневые косогоры, примыкающие к земляному полотну железной дороги

При этом степень активности оползнево-обвальной деятельности, влияющая на интенсивность наполнения селевых потоков, на косогорах различна. Степень подверженности эрозии участков косогора может быть оценена по отсутствию почвенного и/или растительного покрова. Кроме того,

ослабленность поверхности горных склонов на открытых участках характе-

20

ризуется количеством мелких русел (борозд и осыпных канавок), образованных в результате воздействия подземных и поверхностных вод, процессов выветривания, а также гравитационных сил.

Наибольший объем рыхлого обломочного материала, который может быть вовлечен в селевой поток, образуется на обвально-оползневых косогорах с признаками активной эрозионной деятельности: значительными (свыше 50% общей площади) участками отсутствия почвенного и/или растительного покрова, высокой частотой русел (тальвегов) постоянных и временных водотоков (свыше 10 на каждые 100 погонных метров косогора вдоль линии железной дороги).

Таким образом, анализ признаков активной эрозионной деятельности косогоров, учет дополнительных источников позволяют оценить объем возможного пополнения водотоков рыхлым обломочным материалом

2.4.3. Методика классификации водотоков по степени селеопасности

Классификация селеопасных водотоков осуществлялась по степени потенциальной опасности. В результате были сформированы три группы селеопасных водотоков:

- высокой степени селеопасности;

- средней степени селеопасности;

- потенциально селеопасные.

Водотоки высокой и средней степени селеопасности, как правило, приурочены к обвально-оползневым косогорам.

При этом, к высокой степени селеопасности отнесены водотоки, проходящие через зоны обвально-оползневых косогоров с интенсивным развитием эрозионных процессов, а также крупные водотоков, способные транспортировать значительное количество рыхлого обломочного материала за счет большого объема водонаполнения.

Условиями отнесения водотоков к высокой степени селеопасности являются:

- пересечение руслом водотока участка обвально-оползневого косогора с признаками активной эрозионной деятельности (в соответствии с п.1.3.2);

- превышение 100 м3 максимального объема воды, накапливающегося в площади водосбора водотока (формула 3.4).

Приуроченные к косогорам водотоки, для которых не выполняются условия, соответствующие участкам высокой степени селеопасности и максимальный объем воды, накапливающийся в площади водосбора которых превышает 10 м3, отнесены к средней степени селеопасности. Кроме них, к средней степени селеопасности отнесены водотоки, не проходящие по обвально-оползневым косогорам, но в площади водосбора которых присутствуют зоны эрозионной активности.

Прочие места выхода водотоков к земляному полотну железной дороги, удовлетворяющие условиям селеопасности, классифицированы как потенциально селеопасные водотоки.

Глава 3. Результаты апробации

3.1. Результаты выявления селевых водотоков

Всего в результате дешифрирования склонов, обращенных к железной дороге, на перегоне Туапсе-Адлер было выявлено 4295 русел постоянных и временных водотоков.

В соответствии с приведенной выше методикой, из их числа было выделено 197 водотоков, в руслах которых в период дождевых паводков могут сформироваться селевые потоки с объемом твердой составляющей, превышающим 1 м3.

Места возможного воздействия селевых потоков на земляное полотно железной дороги определялись по пересечению линии водотока, либо касательной к этой линии, построенной на конечном участке водотока, с линией железной дороги.

В результате классификации из общего числа водотоков выделено (рис. 5):

- 42 водотока высокой степени селеопасности;

- 77 водотоков средней степени селеопасности;

- 78 потенциально селеопасных водотоков.

Распределение водотоков по степени селеопасности

■ Водотоки высокой степени селеопасности

■ Водотоки средней степени селеопасности Потенциально селеопасные водотоки

78

Рис 5. Распределение водотоков по степени селеопасности

Вариант графического отображения селеопасных водотоков с привязкой их к линии железной дороги и результатами классификации представлен на рисунке б.

'эрозионно-оползнсв'ый у^аоток№ 3006

V - г , х

у^аеток^а^ушенног©.-,растительного и/или почвенного покрова№ 3008

участок,нарулт1енно]\у растительного и/или почвенного покровам 3010 участок на]^Ш^ш^]^Ф4твльного^^ш410явенното покрова№ 3023

3040

&,||^ок№у3038 участок нарушенного растительнощ^или почвенного покрова№ 3044

Ж?

Черное море

участок нарушенного растительного и/или почвеш!ош»покрова№ 3,071

Русла (тальвеги) волотогов

Волатош средней степапп селеопаспостп

Рис 6. Графическое отображение селеопасных водотоков

3.2. Дополнительные преимущества использования разновременных материалов аэрокосмического мониторинга для оценки селеопасных участков

При определении участков высокой степени селеопасности использовалось эталонное описание - информационный «портрет» участка, в границах которого в июне 2005 г. сошел сель (перегон Водопадный - Лазаревская, отм. 1907-1910 км), составленное по материалам аэрокосмического мониторинга, полученным в октябре 2003 г., апреле и ноябре 2005 г.

Информационный "портрет" содержит набор основных индикационных признаков участка на этапе формирования возможного селя и после его схода.

Не позднее, чем за 1,5 года до схода селя в границах эталонного участка развивались процессы, имеющие следующие признаки поверхностного проявления (индикационные признаки):

- приблизительно, на 10% увеличилась площадь участков нарушенного растительного и почвенного покрова обвально-оползневого косогора над ж.д. путями (отм. 1909-1910 км);

- на дневной поверхности обвально-оползневого косогора интенсивно развивались эрозионные процессы;

- в 120 м от ж.д. путей на склоне косогора сформировался водоток "петлеобразной" формы (отм. 1909 км пк 4), образованный интенсивными стоками с автомобильной дороги и водотоков склонов горного массива (р. Аше -р. Куапсе, вершина отм. 341 м), параллельно которому проложены ж.д. пути (отм. 1907-1910 км);

- приблизительно, на 10% увеличилась площадь участков (в 100 м от ж.д. путей) нарушенного растительного и почвенного покрова и/или участков проведения земляных работ на склонах горного массива над (а также в излучине) автомобильной дорогой и (отм 1909 км пк 6-10);

- в непосредственной близости от автомобильной дороги в границах этих участков сформировались временные водотоки, образованные стоками

поверхностных вод со склонов горного массива в направлении автомобильной дороги и ж.д. путей (отм. 1909 км пк 7).

- признаки проведения работ по рекультивации (укреплению) участков, образовавшихся до схода селя, отсутствуют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований была обоснована необходимость, определены условия, ограничения и впервые были разработаны методики выделения селеопасных водотоков по материалам аэрокосмической съемки, а также их классификации по степени опасности.

Данные методики позволили выделить на перегоне Туапсе-Адлер 197 потенциальных мест воздействия селевых потоков различной степени опасности. При средней ширине полосы возможного воздействия селей на земляное полотно 50 — 100 м, общая длина потенциально опасных участков не превышает 2 км, что практически в 10 раз меньше протяженности опасных участков, выделенных в ходе обследования 2006 года.

Определение конкретных мест воздействия позволит эффективно спланировать строительство укрепительных и защитных сооружений с целью предотвращения возможных катастроф.

Критерии для оценки потенциальной опасности, в том числе — объема селевой массы выбирались минимальные, с целью учесть все потенциально возможные места формирования селей, даже маловероятные.

При достаточном обосновании, например, по результатам аналитических исследований статистических материалов, критерии могут быть повышены. В этом случае количество потенциально опасных мест может существенно сократиться.

Научные результаты данной методики могут быть положены в основу анализа аэрокосмической информации для определения скальнообвальных образований, выявления оползневых склонов и пораженных участков, а также возможных зарождения грязевых и снежных лавин.

Перечень использованной литературы

1. Газета «Гудок», Продолжается модернизация комплекса путевого хозяйства ОАО «РЖД», №128, 23 июля 2008 г.

2. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов/Госстрой России. -М.: ПНИИИС Госстроя России, 2000.

3. Садов A.B. Аэрометоды изучения селей. М.: Недра, 1972. 127 с.

4. Степанов Д.В., Яшин А.Ю. и др. Способ технической диагностики земляного полотна железных и автомобильных дорог. Российская Федерация, заявка от 05.09.2005, опубликовано 27.03.2007 Бюллетень №9, патент RU 2296297

5. Бобков A.A., Степанов Д.В и др. Отчет о выполненных работах. Шифр и наименование работ: 10.10 «Геотехническая диагностика объектов инфраструктуры по материалам аэрокосмического мониторинга», ОАО «Российские железные дороги» (функциональный заказчик - Департамент пути и сооружений) и ЗАО «Аэрокосмический мониторинг и технологии (AMT)», 2006 г.

6. СНиП 2.01.14-83 Определение расчетных гидрологических характеристик

7. ВСН 63-76 Инструкция по расчету ливневого стока воды с малых водосборов

8. Руководство по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений

9. Методическое руководство по инженерно-геологической съемке масштаба 1:200 000/ Под ред. Е.С. Мельникова. М.: Недра, 1978, 391 с.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Машуров С.С., Степанов Д.В. Применение технологии аэрокосмического мониторинга для решения задач технической диагностики объектов инфраструктуры транспортных и энергетических систем. Труды 5-й Международной выставки и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 2005 г.

2. Машуров С.С., Степанов Д.В. и др. Результаты практической реализации методов геотехнической диагностики и геопространственной разведки для обеспечения безаварийной эксплуатации нефтепроводов. Труды пятого международного аэрокосмического конгресса, стр. 605-608, 2006 г.

3. Машуров С.С., Степанов Д.В. и др. Методы геотехнической диагностики и геопространственной разведки в решении задач экологической безопасности транспортной инфраструктуры. Пятый международный аэрокосмический конгресс, Пленарные и избранные доклады, стр. 234-236, 2006 г.

4. Степанов Д.В. Метод геотехнической диагностики в решении задач экологической безопасности транспортной инфраструктуры. Государственный университет управления. Учебное пособие по специальности «Природопользование» - 020802, 2006 г.

5. Бобков A.A., Степанов Д.В. и др. Отчет о выполненных работах. Шифр и наименование работ: 10.10 «Геотехническая диагностика объектов инфраструктуры по материалам аэрокосмического мониторинга», ОАО «Российские железные дороги» (функциональный заказчик - Департамент пути и сооружений) и ЗАО «Аэрокосмический мониторинг и технологии (AMT)», 2006 г.

6. Степанов Д.В., Бобков A.A. и др. Р Газпром «Методические рекомендации по выбору типов и параметров материалов аэрокосмической съемки, программно-аппаратных комплексов для их обработки, необходимых для проведения геотехнической диагностики». - М: ИРЦ «Газпром», 2007 г.

7. Степанов Д.В., Тимофеев А.Л. И др. Концепция проведения геотехнической диагностики магистральных газопроводов по материалам аэрокосмической съемки, ОАО «Газпром», 2007 г.

8. Машуров С.С., Степанов Д.В. и др. Способ прогнозирования дефектов подземных трубопроводов. Патент Российской Федерации 1Ш 2291344 Бюллетень №1, 2007 г.

9. Машуров С.С., Степанов Д.В. и др. Способ технической диагностики земляного полотна железных и автомобильных дорог.. Патент Российской Федерации ЬШ 2296297 Бюллетень №9, 2007 г.

10.Машуров С.С., Степанов Д.В. Применение метода геотехнической диагностики магистральных газопроводов по материалам аэрокосмического мониторинга, Материалы Шестнадцатой Международной деловой встречи «Диагностика-2006», стр 210-220, - М: ИРЦ «Газпром», 2006 г.

Подписано в печать 15.10.09. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1.9 тираж 40 шт. Заказ № 101. Отпечатано в типографии ООО "Инициатива" г.Москва

2009123548

2009123548