Мониторинг земляного полотна
Впервые понятие мониторинга было введено в 1972 г. применительно к окружающей среде и формулировалось как «система повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой». В последующие годы теория мониторинга окружающей среды (другое название экологический мониторинг) получила значительное развитие в России в трудах акад. Ю.А.Израэля, который дополнил представление о мониторинге, указав, что мониторингу присуще не только наблюдение, но и прогноз, а также что в конечном счете мониторинг служит управлению состоянием окружающей среды.
Общие сведения
Дальнейшее развитие теории мониторинга окружающей среды шло по пути разделения общей системы мониторинга на подсистемы, разработки и детализации понятий для подсистем, одной из которых является мониторинг геологической среды, или литомониторинг. Основные научные работы по проблеме литомониторинга относятся ко 2-й половине 1980-х — 1990-м гг. Одним из важных понятий, введенных в литомониторинге, является понятие природно-техническои системы (ПТС), или геотехнической системы (ГТС), под которой понимают совокупность инженерных сооружений и части геологической среды в зоне влияния, имеющей операционально фиксированные границы. Таким образом, при литологическом мониторинге геологическая среда рассматривается не сама по себе, а во взаимодействии с инженерными сооружениями.
Обобщенное определение мониторинга геологической среды дано В. А. Королёвым в его учебнике, изданном в МГУ в 1995 г. Согласно этому определению, мониторингом геологической среды называется «система постоянных наблюдений, оценки, прогноза и управления геологической средой или какой-либо ее частью, проводимая по заранее намеченной программе в целях обеспечения оптимальных экологических условий для человека в пределах рассматриваемой природно-техническои системы». Приведенное определение показывает принципиальную разницу между мониторингом и режимными наблюдениями, которые входят в него как составная часть.
Впервые подход к проектированию земляного полотна, базирующийся на принципах и понятиях экологического мониторинга, с разработкой общей модели экосистемного управления геотехнической системой «Земляное полотно» предложены А. А. Цернантом в 1990 г.
Понятие «мониторинг состояния земляного полотна» базируется на понятии «земляное полотно» как геотехническая система, являющаяся объектом управления, а также постановке для этой системы цели управления и ограничительных функций допустимого ее состояния.
Геотехническая система «Земляное полотно
Геотехническая система «Земляное полотно» (ГТС ЗП) может быть представлена в виде подсистемы в природно-технической системе «Железнодорожный путь» (ПТС ЖДП), которая в свою очередь является подсистемой для системы более высокого ранга - «Железная дорога» (рис. 3.12) и, взаимодействуя с другими подсистемами, выполняет функцию фундамента в конструкции ж.-д. пути, т. е. обеспечивает стабильность положения верхнего строения пути в пространстве в течение заданного срока эксплуатации.
Такое определение ГТС ЗП может быть представлено в виде: S(t)<[S] и dS(t)/dL<[i] при O<t<tэкс, (1) где S(t) - перемещение границы раздела между подсистемами «Земляное полотно» и «Верхнее строение пути», в момент времени t; [S] - допустимое значение перемещения границы раздела между подсистемами «Земляное полотно» и «Верхнее строение пути», определяемое техническими требованиями к качеству ж.-д. пути; dS(t)/dL - производная перемещения границы в продольном и поперечном направлениях относительно оси ж.-д. пути; [i] - допустимое значение неравномерности перемещения (уклоны) границы раздела между подсистемами «Земляное полотно» и «Верхнее строение пути» в продольном и поперечном направлениях, определяемое техническими требованиями к качеству ж.-д. пути.
В состав ГТС ЗП кроме комплекса инженерных сооружений собственно земляного полотна включено основание (зона влияния земляного полотна на геологическую среду). Влияние надсистемы «Железная дорога» на схеме представлено в виде внешней поездной нагрузки.
Исходя из места ГТС ЗП в общей системе ПТС ЖДП, целевая функция управления может быть определена как обеспечение надежности земляного полотна на заданном уровне в течение всего срока эксплуатации, что записывается в виде: R=1-P>[R], (2) где R - показатель надежности (вероятность безотказной работы) земляного полотна за период эксплуатации t (лет); Р - вероятность отказа земляного полотна за период времени t (лет), т.е. вероятность невыполнения одного или совместно двух условий (1); [R] - заданный показатель надежности земляного полотна.
Основы применения теории надежности применительно к эксплуатируемому земляному полотну заложены проф. Т. Г. Яковлевой в работе «Метод вероятностно-прогностической оценки деформативности земляного полотна» (1976 г.). Величина заданного уровня (показателя) надежности земляного полотна при этом определяется критериями двух типов: безопасностью движения (главный критерий) и экономической эффективностью и зависит от степени опасности возникновения деформации и категории линии, на которой расположен рассматриваемый объект земляного полотна.
Надежность земляного полотна, т. е. выполнение условий (1) и (2), обеспечивается невыходом его в течение срока эксплуатации за предельные состояния, которые в общем виде представляются как:
условие прочности грунта τmax(t)<[τ], (3,а)
условие устойчивости Tуд(t)/Тсд(t)>γ <=> Муд(t)/Мсд(t)>γ (3,б)
условие деформативности ε(t)<[ε] (3,в)
во временном интервале O<t<tэкс, где τmax(t) - максимальные касательные напряжения в точке грунтового массива ГТС ЗП на текущий момент времени t; [τ] - допустимые касательные напряжения по одному из условий прочности (например, Мора-Кулона, Треска-Хила или др.); Tуд(t) и Mуд(t) - соответственно суммарная удерживающая сила и удерживающий момент, действующие на поверхность смещения, пересекающую поперечный профиль ГТС ЗП в момент времени t; Тсд(t) и Мсд(t) - соответственно суммарная сдвигающая сила и удерживающий момент, действующие на поверхность смещения, пересекающую поперечный профиль ГТС ЗП в момент времени t; γ -заданный коэффициент запаса для единичного объекта ГТС ЗП; ε(t) - деформация единичного объекта ГТС ЗП на текущий момент времени t (в качестве деформации рассматриваются упругая осадка, осадка, просадки, деформации морозного пучения и т.д.); [ε] -предельно допустимое значение деформации единичного объекта ГТС ЗП; tэкс - срок эксплуатации единичного объекта ГТС ЗП.
Во всех случаях в течение всего срока эксплуатации должны быть выполнены: условие (3,а) в каждой точке грунтового массива, принадлежащей ГТС ЗП; условие (3,б) для любой поверхности скольжения, пересекающей поперечный профиль, для всех поперечных профилей ГТС ЗП; условие (3,в) для всех единичных объектов ГТС ЗП. Эти условия раскрывают сущность общего условия (1) и на их основе может быть записана функция надежности работы ГТС ЗП (вероятности сохранения состояния ГТС ЗП в пространстве допустимых значений) в виде:
R(t) = l-P(t) = P|τmax(t)<[τ] Tуд(t)>Tсд(t)<=>Муд(t).МСд S(t)<[S] 0<t<tэкс (4)
Выход земляного полотна на предельное состояние является результатом сложного многомерного, многофакторного, стохастического процесса, определяемого условиями взаимодействия ГТС ЗП с другими подсистемами ПТС ЖДП, окружающей и геологической средой, а также меняющимися в результате этого взаимодействия свойствами самой ГТС ЗП. Учитывая сложность создания адекватных теоретических моделей, описывающих поведение ГТС ЗП и ее выход на предельные состояния, более правильное решение задачи может быть получено на основе синтеза теоретических построений и постоянных натурных измерений параметров, определяющих состояние ГТС ЗП, т.е. с использованием мониторинга.
Если рассматривать мониторинг земляного полотна как определенную процедуру управления состоянием геотехнической системы, то мониторинг состояния земляного полотна - это система визуальных и инструментальных наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния земляного полотна во времени с целью выявления наступления моментов, близких к предельным состояниям, после которых может наступить снижение эксплуатационной надежности ниже допустимых значений, и разработка сценариев управления, позволяющих вывести земляное полотно на нормальный режим эксплуатации. Монито- ринг включает:
- выделение потенциально опасных объектов;
- организацию наблюдений за потенциально опасными объектами;
- оценку их состояния;
- прогноз изменения состояния;
- разработку схем управления надежностью потенциально опасных объектов, при опасности их выхода на предельное состояние.
Структурные схемы мониторинга состояния земляного полотна и его основные функции
Структурные схемы мониторинга состояния земляного полотна и его основные функции. При иерархическом построении подсистемы ГТС ЗП в ней может быть выделено 5 уровней (рис. 3.13). Структурно-иерархическая схема ГТС ЗП построена по принципу вложения подсистем более низкого уровня в подсистемы более высокого уровня, что записывается как
(5)
где Мд, Мб, Mb, Mr и Мд - множества элементов подсистем соответственно на мега-, макро-, мезо-, мини- и микроуровнях; з - символ, обозначающий свойство множества быть надмножеством другого рассматриваемого множества.
Рис. 3.13. Структурно-иерархическая схема ГТС ЗП
Верхний уровень (мегауровень) представляет земляное полотно в пределах железной дороги, как наиболее крупного структурного подразделения МПС, являющегося центром по управлению функционированием системы. На уровне дороги осуществляется планирование работ по земляному полотну с учетом распределения инвестиций; ведется сбор, обработка, анализ и хранение информации; выполняется инженерная поддержка обследовательских и проектных работ.
Макроуровень составляет подсистема земляного полотна в пределах одного направления дороги, характеризующегося одинаковыми внешними для системы эксплуатационными параметрами нагрузок (грузонапряженность, скорость, нагрузки на ось и т.д.), которая является однородной по предъявляемым к ней требованиям по уровню надежности. Подсистема земляного полотна на макроуровне по отношению к выполнению целевой функции - пропуску подвижного состава с заданными скоростями — является единой, т. к. отказ одного из элементов приводит к сбою всей подсистемы. Земляное полотно на многопутных участках на макроуровне для каждого пути, как правило, входит в свою подсистему. На этом уровне производится выделение основных направлений и мало деятельных участков.
Мезоуровень представляют единичные объекты земляного полотна, на которые по принципу однотипности конструкции (насыпь, выемка, нулевое место и т.д.) делится земляное полотно направлений. Это основной уровень, обеспечивающий выполнение функциональной задачи земляного полотна, и уровень, на котором определяется надежность и по отношению к которому производится управление.
Миниуровень составляют отдельные элементы единичного объекта земляного полотна (основная площадка, откосные части, ядро насыпи, основание, защитные и укрепительные сооружения и т.д.). Выделение данного уровня позволяет при управлении целенаправленно выделять слабые зоны, требующие усиления.
Микроуровень выделяет в единичных объектах отдельные инженерно-геологические элементы (ИГЭ), что является характеристикой на уровне материала(грунта). Важным на данном уровне являются свойства материала, определяющие способность выполнения единичным объектом (или его элементом) возложенных на него функций.
ГТС ЗП на верхних мега- и макроуровнях включает в себя совокупность единичных объектов земляного полотна, расположенного в пределах выделенных пространственных структур в виде единых множеств, без разделения их по типам конструкции земляного полотна (насыпь, выемка) и предрасположенности этих объектов к тем или иным деформациям. Вместе с тем причины и природа возникновения разных типов деформаций различны, также значительно отличаются последствия их возникновения и цена принятия управленческого решения, поэтому должна быть предусмотрена процедура выделения из единых множеств на мега- и макроуровнях подмножеств по типам возможных деформаций. Такая процедура записывается как:
где М{х,...хп} - основное множество единичных объектов на мега- или макроуровне, включающее всю совокупность из п единичных объектов в пределах дороги (мегауровень) или в пределах выделенного направления (макроуровень); My{xj |у,...х,|у} - подмножество из s единичных объектов, предрасположенных к возникновению j-го типа деформации, выделенное из основного множества единичных объектов М{х,...хп\; У — символ, обозначающий соединение множеств.
Условие (7) показывает, что количество единичных объектов в основном множестве не обязательно будет совпадать с суммой единичных объектов всех выделенных из него подмножеств по типам деформаций. Это условие следует из того, что часть единичных объектов основного множества может входить в несколько подмножеств одновременно (предрасположенность объекта к нескольким типам деформаций), а другие - не входить ни в одно подмножество (условно недеформируемые объекты).
Процедуре выделения подмножеств должна предшествовать нумерация типов деформаций, по которым и производится классификация единичных объектов, причем процедура отнесения единичного объекта к тому или иному подмножеству по типу возможных деформаций является неформальной и не всегда очевидной, но очень важной, определяющей во многом как организацию мониторинга, так и его эффективность.
Общая схема выполнения четырех основных функций во временном аспекте (наблюдения, оценка, прогноз и управление) для мониторинга земляного полотна может быть представлена организацией циклов в виде раскручивающейся спирали. Мониторинг земляного полотна на первой стадии начинается с функции оценки результатов наблюдений, накопленных за предыдущие годы до его организации; при осуществлении этапа прогнозирования проводится разработка целевой программы мониторинга.
Функции оценки и прогноза могут быть объединены в единый аналитически-прогнозный блок и их выполнение возложено на дорожные центры диагностики, где для этих целей организована аналитическая группа, оснащенная современной вычислительной техникой. Аналитически-прогнозный блок является центральным в схеме мониторинга: через него осуществляются переработка и передача восходящего информационного потока от измерительно-контрольного блока к блоку управления и прохождение обратного нисходящего потока управленческих решений. Для выполнения функций блока могут также привлекаться научные и проектные организации.
Главный блок по принятию управленческих решений - блок управления - формируется службами пути с подключением центра диагностики, научных и проектных организаций для разработки сценариев управления объектами и проектно-сметной документации для усиления. Неотложные управленческие решения по режимам эксплуатации единичных объектов могут приниматься также на уровне дистанции пути.
Третий блок системы, выполняющий измерительно-контрольные функции, создается на базе центра диагностики (обследовательская группа) и работников дистанции пути. При необходимости проведения специальных режимных наблюдений могут подключаться научные организации, а для выполнения объемных обследований, включающих инженерно-геологические и инженерно-геофизические работы,- проектные организации.
Организация мониторинга и его состав
Организация мониторинга и его состав. Состав мониторинга для отдельных объектов и направлений зависит от показателей надежности, определяемых по алгоритму, в основу которого положены следующие пять принципов.
- Показатели надежности объектов земляного полотна и их ранжирование по степени потенциальной опасности определяются отдельно по каждому возможному виду деформации.
- Показатель надежности отдельного объекта земляного полотна имеет малую достоверность ввиду небольшого статистического ряда наблюдений, поэтому надежность оценивается через осредненный показатель надежности, определяемый для однородной группы объектов.
- Формирование групп однородных объектов производится по равенству выбранных на основе моделей деформирования значимых параметров объектов, в качестве которых принимаются физические характеристики. Формирование группы по признаку наличия или отсутствия на объекте отказов (отнесение в группу только деформирующихся объектов или наоборот) не допускается.
- Учитывая известную периодичность изменения климатических условий, связанную с солнечной активностью, отрезок времени, по которому оценивается надежность, принимается, как правило, не менее полного солнечного цикла в 22 года при деформациях гравитационной природы и полуцикла в 11 лет
при деформациях, в основе которых лежат температурные поля.
- За объектами с низкими показателями надежности устанавливается мониторинг, включающий инструментальные наблюдения, по результатам которого показатели надежности отдельных объектов постоянно уточняются.
Следуя предложенным принципам, в алгоритме определения показателей надежности может быть выделено также пять этапов с использованием на каждом из них отдельных методов:
- Выделение подмножеств (классов) объектов земляного полотна, которые должны быть проверены на потенциальную опасность по отношению к выбранному типу деформации; выполняется на основе логического анализа на уровне основных моделей процессов деформирования.
- Разделение подмножеств по основным параметрам на группы объектов, однородные относительно вероятности появления на них деформации; осуществляется методом природных аналогий.
- Определение показателя надежности группы и проверка группы на однородность; вычисляется методом статистических испытаний.
- Ранжирование групп по степени надежности, определение потенциально опасных объектов и выбор объектов для мониторинга; производится на основе технико-экономического анализа.
- Мониторинг объектов земляного полотна и корректировка по его результатам показателей надежности; применяются инструментальный и математический методы.
Эффективность мониторинга во многом определяется правильностью выбора методов наблюдений, которые должны обладать комплексом свойств: объективностью, достоверностью, простотой проведения, оперативностью, дешевизной. По методам наблюдений мониторинг может быть разделен на две характерные части:
- мониторинг индивидуальных объектов, применяющийся для отдельных наиболее крупных объектов, деформации которых могут привести к возникновению полных отказов и вызвать большие затраты на ликвидацию их последствий;
- мониторинг целых участков и направлений, применяющийся для деформаций массового характера на большом протяжении.
Для мониторинга первой части допускаются более детальные методы наблюдения. требующие большой трудоемкости. а для мониторинга второй части, учитывая протяженность, необходимо использовать методы, главными свойствами которых будут быстрота проведения и дешевизна. В качестве методов для первой части могут быть предложены режимные наблюдения на основе инженерно-геодезичесих измерений, ттемпературные и гидрологические наблюдения в скважинах и др. Для второй части перспективными являются наблюдения за состоянием земляного полотна с помощью оценки изменения: геометрии рельсовой кколеи по проходам путеизмерительных вагонов, литологии и влажностного режима земляного полотна с ппомощью георадаров, а также деформационных свойств подрельсового основания нагрузочными устройствами.