Способ прогноза возникновения или активизации оползней

Способ прогноза возникновения или активизации оползней

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к промышленному или гражданскому строительству и может быть использовано для диагностики или при строительстве нефте- и газопроводов для установления степени оползнеопасности склонов, подверженных оползневым явлениям.

Известен способ прогноза оползней, основанный на расчете степени устойчивости склона по значению коэффициента устойчивости (см., Емельянова Е.П. Основные закономерности оползневых процессов - М.: «Недра», 1978. - 308 с).

Для расчета коэффициента необходимо определение ряда инженерно-физических свойств горных пород, в частности плотности, удельного сцепления, угла внутреннего трения, гидрогеологических характеристик. Массовый отбор образцов и последующее определение этих параметров в объемах статистически достоверных выборок на значительных площадях невозможны, поэтому способ ограничен применением на локальных участках.

Известен способ обследования геомассивов, подверженных оползневым явлениям для определения эволюции зарождения и развития оползней, заключающийся в зондировании геомассивов на заданных глубинах, определения прочности, порового давления и однородности инженерно-геологических элементов, в том числе ослабленных зон, с последующим выбором поверхности скольжения и расчетом коэффициента устойчивости, причем обследование геомассива проводят циклами, для каждого цикла дополнительно измеряют температуру обследуемого геомассива, по результатам измерений прочности, порового давления, однородности и температуры выполняют построение геополей, на основании которых, используя принцип суперпозиции, определяют поверхности скольжения и рассчитывают статистические оценки прочности, порового давления, однородности, температуры, при этом при снижении статистических оценок прочности, повышении статистических оценок порового давления, увеличении размеров ослабленных зон не менее, чем на 10% интервал между циклами обследования уменьшают вдвое (см. патент RU №2130527, кл. E02D 1/00, 20.05.1999).

Данный способ позволяет расширить возможности обследования и определения эволюции зарождения и развития оползней при одновременном повышении достоверности контроля за счет учета температуры обследуемого геомассива. Однако данный способ дает возможность получить информацию только о конкретном участке местности где возможно образование оползня и не дает возможности предсказания образования оползней в любой точке прогнозируемой территории, что сужает возможности использования данного способа.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются результаты исследований, согласно которым авторами экспериментально установлена неизвестная ранее закономерная связь между величинами вероятностей возникновения оползней и оползневой опасности при комплексном воздействии природно-техногенных факторов, заключающаяся в том, что вероятность возникновения или активизации оползневого процесса определяется величиной вероятности интегрального показателя оползневой опасности, определяемого по эталонным характеристикам статистических распределений пространственно-временных факторов прогнозируемой территории (статья Кузьменко Э.Д., Крыжанивский Е.И., Карпенко А.Н., Журавель A.M. «Прогноз развития оползневых процессов как фактор обеспечения надежной эксплуатации трубопроводов» - журнал «Розвiдка та розробка нафтових i газових родовищ» №4 (17), 2005, с.24-35)

Установленная закономерная связь создает научные и методические основы создания способа пространственного прогнозирования оползней.

Однако для данного способа прогноза необходим отбор образцов горных пород и определение их свойств. Кроме того, отсутствует закономерная последовательность действий, которая позволила бы осуществить прогноз оползневой опасности для любой точки местности прогнозируемого района.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является региональный прогноз возникновения или активизации оползневых процессов, позволяющий на основании комплексных исследований воздействия основных известных пространственных факторов (ландшафтных, геоморфологических, геологических, геофизических, метеорологических и сейсмических) на количественном вероятностном уровне обосновать возможность образования оползней и вероятность активизации оползневых процессов.

Техническим результатом, достигаемым от реализации данного способа прогноза, является повышение точности прогноза возникновения и активизации оползней для любой точки местности на прогнозной территории.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ прогноза возникновения или активизации оползней заключается в том, что проводят оценку комплексного воздействия совокупности пространственных природно-техногенных факторов на процессы образования оползней с формированием эталонной факторной характеристики пространственно-временных факторов прогнозной территории и определяют по эталонным характеристикам величину вероятности интегрального показателя оползневой опасности с учетом установленных закономерностей развития оползней в их связи с этими факторами, причем вначале создают базу данных оползней и их координат, внесенных в государственный кадастр и расположенных на прогнозной территории, затем определяют факторные характеристики для этих оползней с созданием таким образом исходной базы данных для прогноза, далее строят гистограммы распределения оползней на прогнозной территории в зависимости от каждой из факторных характеристик, отбирают те из них, которые могут быть описаны нормальным законом распределения, и определяют количественное значение факторов (эталонных факторных характеристик), далее строят гистограмму значимости факторов в зависимости от частоты встречи оползней и определяют весовой коэффициент каждого из факторов для оценки значимости (информативности) факторов, выявляя и исключая при этом из базы данных дублирующие факторы, путем перевода величин факторных характеристик в безразмерные показатели проводят их унификацию, после чего определяют интегральный показатель факторных характеристик для каждого оползня с построением гистограммы частоты встречи для всех оползней и на основании полученной информации рассчитывают эталонное распределение вероятности интегрального показателя факторных характеристик, по которому оценивают прогнозную вероятность возникновения или активизации оползней для любой точки на прогнозной территории по ее рассчитанному значению интегрального показателя.

Таким образом, наиболее значимые особенности данного способа заключаются в том, что:

- отсутствует необходимость отбора образцов горных пород и определения их инженерно-физических свойств;

- обосновано использование в прогнозе всех основных региональных природно-техногенных факторов;

- установлены в прогнозе объективно существующие закономерные связи между величинами вероятностей возникновения оползней и оползневой опасности;

- количественно определена вероятность возникновения оползней.

Комплекс пространственных факторов выбирается из следующих соображений: обеспечение представительства всех групп факторов; частота встречи оползней в зависимости от распределения факторов подчиняется одному из законов статистических распределений; факторы исключают одновременное влияние друг на друга; коэффициент значимости (информативности) факторов примерно одинаков; факторы являются объективными, соответствуют региональному уровню и являются общедоступными для пользователя. Таким образом, осуществляется системный подход. Не учитываются факторы, изменение которых соответствует локальному уровню изучения оползней и которые не являются устойчивыми для характеристики оползневой активности от участка к участку (уровень подземных вод, элементы залегания горных пород), а также специфические факторы, характерные, например, для морских береговых участков (абразия, характеристика пляжа, азимут береговой лини, высота берегового уступа). Типовой перечень групп факторов: литолого-стратиграфические; инженерно-геологические; геоморфологические; тектонические; ландшафтные; метеорологические; техногенные.

На фиг.1 представлена прогнозная карта оползневой активности на экспериментальном участке, расположенном в западном регионе Украины, составленная в качестве примера практической реализации способа.

На фиг.2 приведены гистограммы распределения оползней в районе исследований и коэффициентов контрастности.

На фиг.3 приведены унифицированные гистограммы и графики распределения вероятностей.

На фиг.4 приведен результат ранжирования инженерно-геологических районов в зависимости от их вклада в сумму коэффициентов контрастности.

На фиг.5 приведена дендрограмма связей между группами факторов.

На фиг.6 представлена гистограмма частот его встречи для всех оползней прогнозной территории.

На фиг.7 представлен результат прогноза, в виде карты вероятностей развития оползней на отдельной площади в пределах Украинских Карпат.

Определение эталонных факторных характеристик проводится в два этапа. Первый этап - создание базы данных оползней и их координат, внесенных в государственный кадастр и расположенных на прогнозной территории, второй этап - определение факторных характеристик для этих оползней. Значения факторных характеристик снимаются с карт для каждого оползня. Кадастр оползней и распределения факторных характеристик являются исходной базой данных для последующего прогноза. Перечень картографических материалов для определения факторных характеристик соответствует перечню факторов, контролирующих оползневую опасность: литофациальная и тектоническая карты, карта распределения годовой суммы атмосферных осадков, топографическая и геоморфологическая карты, инженерно-геологическая карта. Эти карты используются непосредственно или служат основой для построения производных карт, например карты углов наклона дневной поверхности.

Закон распределения определяется в соответствии с гистограммой распределения оползней в регионе исследований, на которой по ординате откладывается частота образования или активизации всех известных оползней, а по абсциссе количественный факторный показатель. Требования к показателю - подчинение одному из обоснованных в геологии законов распределения - нормальному, логнормальному, гамма-закону, экстремальному, экспоненциальному. Общность последних четырех законов состоит в том, что все они содержат экспоненту, поэтому их логарифмы распределяются по нормальному закону. Наличие таких законов свидетельствует о неравномерном влиянии внешних факторов, формирующих величины факторных характеристик. Согласие эмпирических распределений с законами логнормального, гамма, экстремального, экспоненциального распределений позволяет рассматривать эти величины не как результат суммы (как при нормальном распределении), а как произведение воздействующих факторов, поскольку нормальным аппроксимируется распределение логарифмов. Иначе говоря, несогласие распределения величин с теоретическим законом нормального распределения объясняется зависимостью этих величин как от первичных, так и вторичных величин (факторов).

Унификация закона распределения оползней осуществляется путем линейных преобразований таким образом, чтобы распределения вероятностей преобразованных величин соответствовали нормальному теоретическому закону. Для этого достаточной является процедура логарифмирования распределений, отличающихся от нормального. Тогда закон распределения для каждого фактора становится нормальным, а статистические характеристики определяются именно для этого закона для всех соответствующих распределений.

Определение законов распределения прямым путем осуществляется для факторов, характеристики которых выражаются количественно в физических единицах. Для литофациальных типов подстилающих горных пород и инженерно-геологических районов рассчитывается количественная характеристика, определяющая их связь с оползневым процессом, - Ri - коэффициент контрастности.

где Ni - количество зарегистрированных оползней в пределах определенной зоны (района) согласно литофациальному или инженерно-геологическому районированию;

ΣNi - общее количество зарегистрированных оползней в регионе; Si - площадь определенной зоны (района); ΣSi - общая площадь территории всего региона.

Далее для литофаций строится гистограмма зависимости частоты встречи оползней в зависимости от Ri литофации и определяется затем распределение. Для инженерно-геологических районов выполняется процедура ранжирования отдельных районов в соответствии с величиной коэффициента контрастности и расчет значения функции вероятности пораженности оползня для каждого инженерно-геологического района через функцию Лапласа.

Оценка значимости (информативности) факторов выполняется с целью подтверждения правильности определения факторов и определения весового коэффициента и информативности каждого из них. Расчетная формула - это формула для приведенного общего коэффициента корреляции Rпр:

где r_i,j - значение коэффициента парной корреляции между i,j переменными в матрице коэффициентов корреляции факторных характеристик. Таким образом значимость V_j=Rпр_j для j-го фактора.

Подтверждение значимости факторов и выявление дублирующих факторов с целью исключения последних из расчетов выполняется путем построения дендрограммы эвклидовых расстояний между отдельными факторными характеристиками. Исходные данные для расчетов - результаты кластерного анализа, выполненного способом взвешенного парного осреднения.

Процедура нормализации имеет целью трансформацию величины факторных характеристик, выраженных в физических величинах, полученных из анализа карт их распределений (метр расстояния, метр высоты, миллиметр суммы осадков, градус наклона поверхности) в безразмерные показатели контрастности, с которыми далее можно производить линейные математические операции. Контрастность для i-го фактора рассчитывается по формуле:

где - оценка математического ожидания в унифицированной выборке нормального распределения; δ_i - стандарт для той же выборки, X_ij - значение унифицированной факторной характеристики для j-го фактора для i-го оползня.

Расчет интегрального показателя факторных характеристик для каждого оползня выполняется по формуле:

где П_ij - нормализованные значения факторных характеристик; V_j - весовой коэффициент информативности j-го фактора для i-го оползня.

Распределение интегрального показателя иллюстрируется унифицированной гистограммой частоты его встречи для всех оползней, которая должна соответствовать нормальному закону.

Расчет эталонной функции вероятностей выполняется с использованием известной формулы, которая описывает дифференциальную кривую нормального закона распределения вероятностей случайной величины (f(П_ij)), с перерасчетом всех значений функции вероятностей таким образом, чтобы ее максимальное значение равнялось бы единице:

где max(f(П_ij))^-1 - поправка для выполнения условия, что максимум кривой равен 1, так как этот максимум отвечает условию активизации или возникновения оползней.

Способ осуществляют следующим образом. В пределах участка прогноза в соответствии с обозначенной выше последовательностью выполняют процедуры, конечным результатом которых является эталонная функция вероятности возникновения (активизации) оползней в зависимости от распределения интегрального показателя факторных характеристик. Далее создается регулярная сетка, соответствующая масштабу карт исходных факторов, задействованных в прогнозе. Например, для топографической карты масштаба 1:100 000 регламентированная погрешность в плане составляет ±0.7 мм, что соответствует ±70 м на местности, тогда сетка, которая должна быть соизмерима с погрешностью и не ниже ее, будет 100×100 м. Для каждого узла сетки определяются значения тех же факторных характеристик, что и для известных оползней, и рассчитываются значения интегральных характеристик, по которым, в соответствии с эталонной функцией вероятности возникновения (активизации) оползней, осуществляется прогноз.

Пример.

В качестве примера практической реализации способа создана прогнозная карта оползневой активности на экспериментальном участке, расположенном в западном регионе Украины. Размеры участка 50×100 км; на его территории зарегистрировано и описано 1142 оползня (фиг.1).

Экспериментальный участок расположен на территории Украинских Карпат и характеризуется разнообразным набором пород преимущественно осадочного происхождения палеозойского, мезозойского и кайнозойского возраста. Исследуемая прогнозная территория является одной из наиболее нестойких в гидродинамическом отношении. Это обусловлено ее плановым размещением в зоне влияния тектонически активной молодой Карпатской горноскладчатой области. Кроме того, здесь наблюдается достаточно высокий уровень техногенной нагрузки, который с каждым годом непрерывно возрастает. Высокая плотность оползней позволяет провести ряд статистически достоверных исследований, направленных на экспериментальную проверку теоретических предпосылок о комплексном воздействии определяющих факторов на распределение оползней.

Перечень пространственных факторов, инициирующих образование оползней, а также физические предпосылки активизации оползней приведены в таблице 1. В этой же таблице приведен перечень количественных показателей факторов - факторных характеристик.

В таблице 2 приведен перечень теоретических законов распределения для отдельных факторов. Результат ранжирования инженерно-геологических районов в зависимости от их вклада в сумму коэффициентов контрастности приведен на фиг.4.

Результаты расчета информативности каждого параметра приведены в таблице 3.

Дендрограмма связей между группами факторов приведена на фиг.5. Ее анализ свидетельствует, что все выбранные факторы несут достаточно разную по своей природе информацию о процессах образования оползней, и их изъятие из дальнейших исследований является нецелесообразным.

Рассчитанные значения интегрального показателя факторных характеристик изменяются в пределах от -5.5 до +4.0. На фиг.6 представлена гистограмма частот его встречи для всех оползней прогнозного участка. Она описывается дифференциальной кривой нормального закона распределения, которая преобразуется в расчетную функцию прогноза активизации или возникновения оползней в соответствии с формулой (5).

Результат прогноза, в виде карты вероятностей развития оползней на отдельной площади в пределах Украинских Карпат, представлен на фиг.7.

Настоящее изобретение может быть использовано в строительной промышленности при строительстве нефтепроводов, газопроводов, различного назначения зданий и сооружений в гражданском и промышленном строительстве.

Таблица 2
Вероятные теоретические законы распределения для отдельных параметров (результаты анализа с использованием D-критерия Колмогорова-Смирнова)
№ пп	Параметр	Теоретический закон распределения	Характеристики закона распределения
1	Ri литофациальной зоны	Нормальный	μ=1,274 δ=0,364
2	Годовая сумма атмосферных осадков	Нормальный	μ=980,9 δ=165,5
3	Расстояние до базиса эрозии	Гамма	b=213,03 с=1,744
4	Расстояние до дороги	Гамма	b=1110,37 с=1,11
5	Расстояние до водораздела	Экстремальный	а=568,78 b=424,84
6	Расстояние до тектон. разлома	Экспоненциальный	λ=0,0011
7	Расстояние до нас. пункта (+8000 м)	Экстремальный	а=8614,9 b=861,88
8	Расстояние до леса	Нормальный	μ=-214,55 δ=692,12
9	Угол наклона дневной поверхности	Нормальный	μ=15,164 δ=7,49
10	Абс. высота над уровнем моря	Логнормальный	μ=6,453 δ=0,3626
Таблица 3
Результаты расчетов информативности каждого параметра на основе использования матрицы парных коэффициентов корреляции
Параметр	Весовой коэффициент информативности в расчетах, %
Ri литофации	8.01
Ri инж-геол. района	10.17
Ln (расстояние от базиса эрозии)	7.73
Ln (расстояние до дороги)	9.03
Ln (расстояние до водораздела)	7.73
Ln (расстояние до тект. разлома)	7.95
Ln (расстояние до нас. пункта + 8000)	10.88
Расстояние до леса	9.60
Крутизна склона	8.97
Ln (абс. высота н.у.м.)	11.16
Годовое к-во атм. осадков	8.75

Способ прогноза возникновения или активизации оползней, заключающийся в том, что проводят оценку комплексного воздействия совокупности пространственных природно-техногенных факторов на процессы образования оползней с формированием эталонной факторной характеристики пространственно-временных факторов прогнозируемой территории, и определяют по эталонным характеристикам величину вероятности интегрального показателя оползневой опасности с учетом установленных закономерностей развития оползней в их связи с этими факторами, отличающийся тем, что вначале создают базу данных оползней и их координат, внесенных в государственный кадастр и расположенных на прогнозной территории, затем определяют факторные характеристики для этих оползней с созданием таким образом исходной базы данных для прогноза, далее строят гистограммы распределения оползней на прогнозной территории в зависимости от каждой из факторных характеристик, отбирают те из них, которые могут быть описаны нормальным законом распределения и определяют количественное значение факторов, далее строят гистограмму значимости факторов в зависимости от частоты встречи оползней и определяют весовой коэффициент каждого из факторов для оценки значимости факторов, выявляя и исключая при этом из базы данных дублирующие факторы, путем перевода величин факторных характеристик в безразмерные показатели проводят их унификацию, после чего определяют интегральный показатель факторных характеристик для каждого оползня с построением гистограммы частоты встречи для всех оползней и на основании полученной информации рассчитывают эталонное распределение вероятности интегрального показателя факторных характеристик, по которому оценивают прогнозную вероятность возникновения или активизации оползней для любой точки на прогнозной территории по ее рассчитанному значению интегрального показателя.