автореферат диссертации по строительству, 05.23.13, диссертация на тему:Методология и основы организационных решений строительства железных дорог в аридных регионах

У У

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

МЕТОДОЛОГИЯ И ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В АРИДНЫХ РЕГИОНАХ

Специальность: 05.23.13 - Строительство железных дорог

Научный консультант проф. СПИРИДОНОВ Эрнст Серафимович

На правах рукописи

ДЕМЬЯНЕНКО Александр Федорович

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996

г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................9

1. СТРОИТЕЛЬСТВО ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В ПЕСЧАНЫХ ПУСТЫНЯХ. СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЙ.......15

1.1. Природно-климатические особенности аридных территорий как строительных зон железных дорог ...........................................................15

1.1.1. Особенности аридных регионов...............................................15

1.1.2. Классификация аридных территорий......................................25

1.2. Общая постановка проблемы. Основные цели и задачи исследования..............................................................................................30

1.3. Анализ состояния изученности проблемы..................................35

1.4. Системно-аналитические начала решения проблемы................45

1.4.1. Структурно-функциональная схема выработки организационных решений...............................................................................................45

1.4.2. Иерархия задач исследования...................................................58

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ И РАЗРАБОТКА ПЕРС ПЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ СТРОЯЩИХСЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПОДВИЖНЫХ ПЕСКОВ .............................................................................................................'60

2.1. Особенности конструктивного устройства железных дорог в аридных регионах и средств их защиты от песчаных заносов.........................60

2.2. Исследование эффективности отдельных методов и видов защиты железных дорог от воздействия подвижных песков.................................67

2.3. Моделирование новых средств защиты с заданными технико-экономическими показателями.................................................................81

2.3.1. Моделирование многокомпонентных составов для закрепления

подвижных песков с заданными свойствами.............................................81

2.3.2. Методико-программное обеспечение моделирования многокомпонентных составов для закрепления подвижных песков........................85

2.4. Разработка методики выбора адекватно оптимального состава комплекса природоохранных и защитных мероприятий..........................91

2.4.1. Критерии оптимальности для оценки комплекса пескозакрепительных работ.............................................................................................91

2.4.2. Математическая модель задачи проектирования состава комплекса пескозакрепительных работ...........................................................93

2.4.3. Методико-программное обеспечение задачи оптимального проектирования состава комплекса пескозакрепительных работ..................101

3. ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В АРИДНЫХ РЕГИОНАХ И ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ.....................107

3.1. Особенности технологии и организации строительства железных дорог в аридных регионах..........................................................................107

3.2. Организация подготовительных и земляных работ....................109

3.3. Оптимизация организации земляных и закрепительных работ............................................................................................................119

3.4. Организационно-технологическая связь работ закрепительного комплекса и укладки верхнего строения пути...........................................155

3.5. Разработка и исследование организационно-технического обеспечения защитных мероприятий....................................................................158

3.6. Математическая модель в календарном планировании пескозакрепительных работ в общем комплексе железнодорожного строительства..............................................................................................174

4.ИССЛЕД0ВАНИЕ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАК ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОРГАНИЗАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В АРИДНЫХ РЕГИОНАХ................................................................................................187

4.1. Исследование физических закономерностей пескопереноса.......189

4.1.1. Определение критической скорости ветра при развеивании песка............................................................................................................189

4.1.2. Совершенствование расчетной схемы определения объема песко переноса по годографу скорости................................................................196

4.2. Закономерности пескопереноса и статистические исследования при ограниченных объемах выборок исходных данных..................................208

4.2.1. Постановка задачи исследования..............................................208

4.2.2. Анализ исходных данных исследования..................................210

4.2.3. Статистические исследования закономерностей песко переноса......................................................................................................215

4.2.3.1. Определение вида статистического закона, аппроксимирующего эмпирические кривые распределения пескопереноса...........................215

4.2.3.2. Исследование зависимости между моментными оценками па раметров распределения пескопереноса....................................................221

4.3. Нормирование расчетных объемов пескопереноса. Расчетная обеспеченность накопленных объемов пескопереноса.....................................222

4.3.1. Исследование статистических закономерностей распределения многолетних накопленных объемов пескопереноса..................................222

4.3.2. Расчетная обеспеченность накопленных объемов песко переноса......................................................................................................226

4.3.3. Расчетные объемы накопленного пескопереноса нормируемой обеспеченности...........................................................................................228

4.4. Внутригодовое распределение объемов пескопереноса..............234

5. МЕТОДОЛОГИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПЕСКОЗАКРЕПЛЕНИЯ В ОБЩЕМ КОМПЛЕКСЕ РАБОТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В РЕГИОНАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ПЕСКОВ.................................238

5.1. Методика подготовки исходных данных....................................238

5.1.1. Природно-климатические исходные данные............................238

5.1.2. Организационно-технологические ресурсы строительства......241

5.1.2.1. Материально-техническая оснащенность строительства......241

5.1.2.2.Нормативные и природно-климатические временные ограниче ния...............................................................................................................243

5.1.3. Ограничения смежных программ комплексного освоения аридных регионов к техносистеме строительства железных дорог..................245

5.2. Методика выбора состава комплекса природоохранных и защит ных мероприятий........................................................................................246

5.2.1. Формирование массива исходных данных...............................246

5.2.2.Построение системы уравнений математической модели задачи и ее решение...................................................................................................249

5.2.3. Анализ результатов решения.....................................................250

5.3. Методология нахождения оптимизационных организационных решений по реализации природоохранных и защитных мероприятий во взаимосвязи с основными комплексами железнодорожного строительства..............................................................................................251

5.3.1. Определение временных ресурсов для реализации защитного комплекса мероприятий с учетом природно-климатических условий строительства .......................................................................................................251

5.3.2. Определение и анализ соотношения потребных и ресурсных тем пов выполнения пескозакрепительных работ...........................................254

5.3.3. Методика установления оптимальных организационных решений.......................................................................................................255

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

258

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................263

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................281

1. Основные географо-климатические характеристики некоторых пустынь мира....................................................................................................282

2. Поперечные профили и объемы земляного полотна, отсыпанного из барханного песка........................................................................................284

3. Основные параметры и коэффициенты эффективности некоторых видов пескозащитных сооружений............................................................286

3.1. Основные параметры и коэффициенты эффективности защитного сооружения "песчаный вал".......................................................................287

3.2. Основные параметры и коэффициенты эффективности защитного сооружения "вал-канава"...........................................................................289

3.3 Основные параметры и коэффициенты эффективности защитного сооружения "канава-вал"...........................................................................290

3.4. Основные параметры и коэффициенты эффективности защитного сооружения "траншея"...............................................................................291

3.5. Основные параметры и коэффициенты эффективности защитного сооружения "песчаная стенка"...................................................................293

4. Описание программного обеспечения по статистической обработке результатов экспериментов по моделированию многокомпонентных составов для закрепления подвижных песков (программа DIPL)..................... 294

5. Описание программного обеспечения решения задачи оптимизации многокомпонентных составова для закрепления подвижных песков..........................................................................................................296

6. Пример оптимизации многокомпонентного состава по прочности на продавливание и стоимости.......................................................................302

7. Проектирование оптимального состава комплекса пескозакрепи-тельных работ.............................................................................................308

8. Комплекты машин для выполнения пескозакрепительных работ...........................................................................................................315

9. Общая схема разбивки расположения объектов в пределах полосы отвода строящейся железной дороги........................................................320

10. Объемы работ по сооружению притрассовой построечной автомобильной автодороги...................................................................................321

11. Объемы работ по возведению пескозащитного комплекса........322

12. Результтаты первичной обработки исходных данных по ветровому режиму и пескопереносу (м/с Сагиз за период 1960-1988 г.г.)................323

13. Блок-схема программы "Статистическая обработка выборочных совокупностей ограниченного объема"....................................................352

14. Годовые объемы пескопереноса по некоторым метеостанциям Туркмении за период 1960...1971 гг...........................................................353

15. Объемы пескопереноса по месяцам, рассчитанные по данным некоторых метеостанций РФ............................................................................375

16. Проверка согласования распределения рядов месячных объемов пескопереноса с экспоненциальным законом по данным метеостанций РФ........................................................................................396

17. Акт внедрения отдельных положений методики разработки оптимального состава комплекса природоохранных и защитных мероприятий и организационно-технологически/х схем их реализации при строительстве железных дорог в песчаных пустынях, разработанных к.т.н., доцентом Демьяненко А.Ф., в практику производственной деятельности МГВАО "Средазстроймеханизация".......................................................................407

18. Справка о разработке раздела "Мероприятия по защите пути от песчаных заносов" (научный консультант раздела д.т.н., проф. Заки-ров P.C., автор раздела к.т.н., доцент Демьяненко А.Ф.) в составе технического проекта "Вторые пути на участке Кандагач-Макат-Бейнеу"........409

19. Справка о внедрении научных и методологических разработок к.т.н., доцента Демьяненко А.Ф. в учебный процесс (курсовое и дипломное проектирование) в ТашИИТе....................................................................410

20. Справка об адаптации комплекса программно-математического обеспечения решения научно-исследовательских задач (автор к.т.н., доцент Демьяненко А.Ф.) для разработки технических проектов и проектов организации строительства железных дорог в аридных и экстрааридных регионах в Ташжелдорпроекте (Ташкентском проектно-изыскательском институте на Среднеазиатской железной дороге)..............................................411

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы, связанные со строительством железных дорог в аридных регионах, впервые были обозначены во второй половине XIX века во время постройки Закаспийской железной дороги. Наиболее значимо они проявляются в подверженности железной дороги песчаным заносам, раздуванию земляного полотна, отсыпанного из песчаных грунтов, угрозе наступления на дорогу больших массивов подвижных форм рельефа, таких как барханы, дюны, крупные грядовые цепи.

Качественное и надежное выполнение трудоемких, материалоемких железнодорожностроительных работ в условиях изнурительно сухого жаркого климата, маловодности, подавленности флоры и фауны, распространенности подвижных песков, пылепесчаных бурь и заносов, являющихся характерными для аридных регионов, а также ввиду удаленности самих регионов от сложившихся промышленных центров, неразвитости их инфраструктуры, малонаселенности чрезвычайно затруднительно.

В решении проблем строительства железных дорог в аридных регионах, обусловленных природно-климатическими особенностями этих регионов, усилия ученых и специалистов в области транспортного строительства до недавнего времени в основном были направлены на защиту железной дороги от негативного воздействия на нее природной среды. Признавая актуальность такой постановки проблемы, поскольку всегда должны быть обеспечены надежность строительства и эксплуатации железной дороги, в последние годы приходит понимание значимости и обратной стороны проблемы, а именно: необходимости защиты природной среды от разрушительного воздействия на нее строительных процессов, которое проявляется в нарушении растительного покрова дорожностроительными машинами, открытии карьеров, устройстве резервов, кавальеров, отвалов, являющихся первопричиной появления очагов эрозии. Кроме того, происходит загрязнение воздушной среды и почвы отходами отработанно топлива, отчужде-

ние среды обитания и нарушение условий жизнеобитания флоры и фауны.

Характерной природной особенностью аридных регионов является хрупкость и неустойчивость их ландшафта и всего экологического равновесия, их подверженность процессу дальнейшей деградации в сторону опустынивания.

В таких условиях строительство железных дорог вызывает усиление процессов опустынивания, к которым эти регионы предрасположены и без вмешательства человека. Опустынивание аридных регионов, то есть расширение "мертвых" пустынь за счет семиаридных и других близких к ним природных комплексов, характеризующихся удовлетворительными условиями жизнедеятельности, приводит к существенному ограничению жизненного пространства человека. Ввиду того, что аридные территории занимают более трети поверхности земной суши, а также широкомасштабно-сти процесса их деградации по всем континентам земного шара, проблема опустынивания признана ЮНЕП одной из глобальных проблем человечества.

И.С. Зонн и Н.С. Орловский [86] отмечают, что среди двух основных факторов современного опустынивания - природного и антропогенного, последний имеет определяющее значение. В специальном докладе комиссии по аридной зоне (Arid Zone Commission) ЮНЕСКО отмечается, что по вине человека на земном шаре возникло около 13 млн.кв.км. пустынных территорий и почти 30 млн.кв.км. потенциально опасных. Процессами опустынивания в разной степени охвачено 2/3 стран мира.

Основным направлением недопущения негативных последствий антропогенного опустынивания следует считать комплексное решение вопросов социально-экономического развития аридных регионов, предполагающее эффективное сочетание индустриализации и урбанизации с развитием сельского хозяйства и охраной окружающей среды.

Основы такого комплексного подхода излагаются в работе А.В.Владимирова и С.А.Истомина [26]. Суть его заключается в том, что

разрабатываемые схемы комплексного освоения и развития аридных регионов должны вписываться в систему общенационального планирования. Региональные схемы комплексного развития должны включать в себя наряду с комплексными программами развития хозяйства, комплексными программами развития инфраструктуры и ряда других, также комплексные программы охраны и улучшения окружающей среды и целевые программы борьбы с опустыниванием.

Региональные схемы разрабатываются на перспективу в 20-25 лет с выделением состава первоочередных программ на 5-10 лет. Предложения региональных схем должны служить необходимой исходной базой для разработки различных проектов и планов развития промышленности, сельского хозяйства, территориально-промышленных комплексов и путей сообщения. Освоение новых и дальнейшее развитие вовлеченных в хозяйственную деятельность аридных регионов, чем бы оно не было обусловлено, всегда связано с необходимостью создания средств коммуникаций и особенно транспортной сети, в которой строительство железных дорог занимает ведущую роль.

Ученые отмечают, что по силе негативного воздействия на окружающую среду аридных регионов транспортное строительство является одним из ключ�