1. Фізичний, що зумовлений енергетичним впливом певних фізичних полів. Він об'єднує механічний, гідромеханічний, гідродинамічний, термічний, електромагнітний класи.

2. Фізико-хімічний, пов'язаний з фізико-хімічними властивостями породних комплексів та фізико-хімічними процесами взаємодії різних компонентів ПТС, зокрема дифузією, вилуговуванням, розчиненням, адсорбцією, осадженням, капілярними явищами тощо.

3. Хімічний, що включає впливи хімічної природи, обумовленої хімічною та біохімічною взаємодією різних речовин і компонентів геологічного середовища як у межах породних комплексів, так і підземних вод.

Головними факторами та агентами впливів різної природи є гравітаційний, гідродинамічний, температурний, фізико-хімічний і біологічний чинники. Визначено та охарактеризовано екзогенні процеси впливу на транспортні ПТС, пов'язані з дією цих факторів (рис. 1). Впливи геологічного середовища і небезпечні геологічні процеси наближено відображаються реологічними моделями, серед яких головними є моделі пружного, пластичного та в'язкого середовищ, що слугують основою для опису поведінки реальних явищ. Існуючі ж природні геологічні процеси і реологічно різні геологічні середовища характеризуються складною поведінкою, яка повинна розглядатись як комбінація цих ідеальних моделей, що характеризують пружно-пластичну та пружно-в'язко-пластичну поведінку. Ці обставини повинні враховуватись при розгляді та створенні фізико-геологічних моделей геологічного середовища та розробці математичних моделей розглядуваних процесів і явищ.

З численних процесів та явищ, що є супутніми до функціонування транспортних ПТС (передусім трубопровідних комплексів, автомобільних та залізничних шляхів, які є пріоритетними об'єктами досліджень) нами виокремлено ті, що у результаті силового впливу призводять до найбільших змін при експлуатації споруд та викликають катастрофічні наслідки і надзвичайні ситуації. Вони об'єднані у такі групи.

1. Кріогенні процеси, пов'язані із сезонним та багаторічним випучуванням, кріогенним розтріскуванням ґрунтів, полієутворенням, кріогенними спливами, відкритими соліфлюкційними потоками, термоерозією, термокарстом, тепловою осадкою ґрунту. 2. Водно-ерозійні та водно-акумулятивні процеси, пов'язані з різними типами потоків (стаціонарними і нестаціонарними схиловими) у максимально широкому діапазоні зміни властивостей і параметрів геологічного середовища. 3. Гравітаційні процеси, що проявляються у вигляді власне гравітаційних явищ, водно-гравітаційних та гравітаційно-водних процесів як у різних ландшафтно-кліматичних зонах суходолу, так і у морському середовищі.

Закономірності та головні механізми прояву кріогенних геологічних процесів проаналізовано на прикладі Західного Сибіру. Найбільш впливовим процесом на транспортні ПТС є процес кріогенного випучування. Він призводить до порушення умов експлуатації транспортних магістралей, що виявляються у деформаціях земельного полотна залізничних шляхів, вигинах трубопроводів, негативному прояві цих процесів у смузі відведення як шляхопроводів, так і трубопровідних систем.

При прокладанні підземних трубопроводів у багаторічно- та сезонномерзлих породах порушується природний стан породних комплексів, зокрема гідрогеологічний, температурний та геокріологічний режими. Це призводить до комплексного прояву процесів кріогенного походження з формуванням поліїв, соліфлюкції, термокарсту, термоерозії, випучування тощо. Розвиток фізико-механічних процесів у мерзлих породах істотно залежить від виду, способу прикладення та умов навантаження (статичне, ступінчасте або динамічне).

Діяльність водних потоків у різних ландшафтно-кліматичних зонах розглядається в роботі з огляду на геологічну діяльність поверхневих текучих вод, зокрема площинного схилового стоку, тимчасових та постійних водних потоків. Проведено оцінку впливу потоків в'язких і в'язко-пластичних геологічних середовищ на інженерні споруди з урахуванням різних типів потоків (стаціонарних і нестаціонарних схилових) у максимально широкому діапазоні зміни властивостей і параметрів геологічного середовища, потоків і чинників, спричинених функціонуванням техногенних споруд. Для цього розроблено схему типізації потоків, що використовується у розрахунково-аналітичних модулях з оцінки впливу потоків на інженерні споруди. В Західному Сибіру водно-ерозійні та водно-акумулятивні процеси розвиваються за участю тимчасових і постійних водних потоків, що безпосередньо впливають на функціонування трубопроводу. Максимальну дію мають стаціонарні водні потоки, тому аналіз їх впливу проводиться першочергово. Обстеження трас показує, що на багатьох обводнених ділянках за час експлуатації відбувається руйнування і переміщення вантажів, і, як наслідок, спливання трубопроводів і зміна їх кривизни. Відмітним процесом ерозійного впливу тимчасових потоків на багаторічномерзлі дисперсні породи є термоерозія, небезпека розвитку якої полягає в утворенні яружних форм, по днищах яких відбувається формування водних потоків з параметрами, що перевищують критичні. У Закарпатській області для більшості річок особливим є формування паводків протягом усього року. Тимчасові водні потоки інтенсифікують ерозійні процеси та викликають руйнування ґрунтового покриву із наступним порушенням динамічної рівноваги схилів. Значний руйнівний вплив на техногенні комплекси водних потоків підтверджується проведеними польовими дослідженнями у межах Свалявського та Воловецького районів Закарпатської області. Виникнення катастрофічних повеней у річках і малих водотоках пов'язане із сильними зливами (максимальні відбулися у 1998-2001 рр.). При оцінці впливу потоків на функціонування транспортних систем за існуючою інформацією і даними польових спостережень визначено головні параметри потоків - кінематичну в'язкість рідини, густину, глибини потоків, їх швидкості.

Серед гравітаційних процесів, що мають найбільш руйнівний вплив на транспортні об'єкти, в роботі охарактеризовано власне гравітаційні (осипи, обвали, каменепади), водно-гравітаційні (зсуви) та гравітаційно-водні (селеві) процеси. Кожний з цих процесів гравітаційної природи потребує особливих підходів до їх моделювання і прогнозу. Механізми та чинники формування гравітаційних процесів розглянуто на прикладі модельних об'єктів у описаних вище регіонах, що мають складну геологічну будову та характеризуються специфічними умовами розвитку гравітаційних процесів різних класифікаційних категорій і груп. Так, у Карпатському регіоні переважно розвинуті зсуви структурного типу, серед яких домінують зсуви, сформовані у неоднорідному, анізотропному середовищі, приурочені до схилів багатоярусної будови. Більшість зсувів виявлено у флішевих відкладах поркулецької світи (K_1-2 pr), чорноголовської світи (K₂-P₂ch), дусинської, турицької та маловиженської світ олігоцену, порушених деструктивними зонами різної щодо схилів орієнтації. Дослідженнями підтверджено особливу роль деструктивних зон, що характеризуються інтенсивною тріщинуватістю, брекчіюванням та меланжуванням флішевих товщ. Такі зони відзначаються високою водопроникністю та розвитком суфозійних процесів. В їх межах різко знижуються міцнісні властивості порід та відбуваються процеси зсувоутворення, що мають масштабний характер особливо за умов субпаралельного розташування таких зон щодо річкових долин та схилів. Підпорядковане значення у Карпатському регіоні мають зсуви, сформовані у квазіоднорідному середовищі, представленому переважно четвертинними відкладами різного генезису. Вони належать до категорії комбінованих зсувів складної природи багатоетапного формування. Як правило, це структурні зсуви консеквентного типу, утворені на місці давніх консеквентних та інсеквентних зсувів та ускладнені формами другого порядку. Детальний опис їх наведено на прикладі об'єктів у Івано-Франківській області.

Гравітаційні процеси Кримського регіону підпорядковані дії сейсмічного, структурного, літологічного, гідрогеологічного та геоморфологічного факторів. Тут виділяються масштабні власне гравітаційні процеси - обвали, каменепади (охарактеризовані на прикладі масивів Демерджі, Парагельмен, Кастель та ін.), зсувні процеси, розвинуті у відкладах таврійської серії (охарактеризовані на прикладі об'єктів автомобільної дороги Сімферополь-Ялта), які зазнають процесів деструкції та в умовах значного обводнення слугують основою для формування процесу зсуву, а також зсувні процеси у межах глинистих відкладів крейдяного віку.

У Середньому Придніпров'ї у Канівському районі описано зсуви, сформовані в однорідному середовищі та пов'язані із зміщенням лесоподібних товщ та пісків і пісковиків крейди-палеогену по глинах юрського віку у результаті їх перезволоження. У межах Київського району на берегах Канівського водосховища проаналізовано зсуви на схилах багатошарової будови, сформовані внаслідок зміщень лесових товщ по покрівлі мергелів київського віку.

За дослідженнями зсувних процесів у різних регіонах з гетерогенною складною структурою уточнено і деталізовано класифікацію структурних зсувів та умов їх формування. Класифікації структурних зсувів запропоновано різними авторами (Н.Н. Маслов, В.Д. Ломтадзе, Є.П. Ємельянова, Г.І. Рудько, М.Г. Демчишин та ін.). В них ранжовано або характер положення та виникнення зсувних тіл щодо схилів, або ж характер залягання шарів. Але проблема створення геолого-механічних і математичних моделей та проведення моделювання зсувоутворення вимагає конкретної типізації умов формування зсувів і зсувних процесів. Особливо важливого значення набуває при цьому внутрішня структура моделі. Зсуви формуються у геологічних середовищах з різною реологічною поведінкою та відмінним орієнтуванням геологічної структури щодо схилу. Це можуть бути квазіоднорідні середовища, які характеризуються наявністю чи відсутністю структурно-текстурної анізотропії (рис. 2). Більшість зсувів формується в умовах неоднорідних середовищ на схилах як з горизонтальним, так і з порушеним заляганням шарів. При порушеному заляганні шарів відмічаються процеси зсувоутворення на схилах з моноклінальною структурою, комбінованим характером будови та деструктивних зон. На відміну від елементарних тріщин та зміщувачів розломів, останні можуть мати самостійне значення для порушення стійкості схилів, тобто бути визначальним структурним фактором зсувоутворення з огляду на гідродинамічний режим, механічні властивості та цементацію тектонітів, спряженість із супутніми процесами. Принципове значення має їх співвідношення із схилом: субпаралельне, діагональне, ортогональне. З цим пов'язана масштабність явищ та їх наслідки. У районах з моноклінальною будовою важливе значення набуває шаруватість, що має різну орієнтацію щодо схилу. Для зсувоутворення важливі ситуації падіння схилу і шаруватості одного напрямку, різних напрямків та проміжний випадок косої орієнтації. Особливий характер мають зсуви на схилах з комбінованою будовою як одно-, так і двоповерхові. Останні визначають особливість протікання зсувних явищ у складних структурних умовах, зокрема на схилах з наявністю фундаменту та потужної осадової товщі. Така структура зсувних схилів визначає підходи і методи засобів розрахунків їх стійкості. З огляду на вибір варіантів просторових моделей, врахування факторів та особливостей об'єкта досліджень найбільш результативним і універсальним методом є визначення НДС породного масиву.

Селеві потоки - серйозна небезпека для всіх об'єктів, що перебувають на їх шляху. Значну загрозу становлять селі для трубопровідних систем, залізничних та автомобільних шляхів, що перетинають селеві басейни. В Україні приклади руйнівної дії селевих потоків та їх впливу на транспортні ПТС відомі у межах Карпатського регіону та Криму. Багатофакторність цього процесу та складний характер взаємодії чинників формування унеможливлюють на сучасному етапі вивченості цього явища завчасне прогнозування конкретної дати виникнення селю в тому або іншому басейні. Звертаючи увагу на необхідність побудови фізичної моделі селів, доцільною є їх типізація з позиції реології та виділення різних структурно-реологічних типів, що визначаються характером дисперсійного середовища селю та гранулометричним складом твердої фази. За цими ознаками виділяються зв'язні та незв'язні селеві потоки. Дослідження оцінки впливу селевих потоків на техногенні об'єкти проведено на прикладі селенебезпечних басейнів у Карпатському модельному полігоні. Для визначення емпіричних закономірностей внаслідок дії селевих потоків та їх наступного використання у режимі ситуативного та прогнозного моделювання виконано детальні дослідження геолого-геоморфологічних та гідрометеорологічних показників, що є визначальними при оцінці селенебезпеки, причому кожний з них може мати самостійне значення. Встановлені характеристики селевих басейнів використано як розрахункові параметри для оцінки селенебезпеки та розробки превентивних заходів щодо її попередження.

Для транспортних систем, прокладених на дні Чорного моря, найнебезпечнішими чинниками є значна батиметрична диференціація морського дна, що здебільшого викликає “провисання” труби при перетині ущелин, каньйонів та підвищень у рельєфі, ерозійні процеси та розмивання ґрунту під трубопроводом чи зміщення трубопроводів та підводних кабелів внаслідок дії підводних зсувів та суспензійних потоків, вібрації вільних прольотів труби, викликаних придонними течіями, а також корозійні процеси.

У розділі 4 “Науково-методологічні основи моделювання стану транспортних природно-техногенних систем в умовах впливу небезпечних геологічних процесів” визначено головні принципи та методологічні засади моделювання транспортних ПТС із зазначенням етапів моделювання та розробки комплексу розрахунково-аналітичних засобів оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди. Складність процесів геологічного середовища визначає спеціальні методичні підходи до розробки методів їх кількісної оцінки на основі комп'ютерного моделювання. Розроблено методологію комплексної оцінки стану транспортних ПТС для умов різних ландшафтно-кліматичних зон, що базується на побудові та чисельному аналізі цільового комплексу взаємопов'язаних геологічних, фізико-геологічних та математичних моделей складних ПТС (рис. 3). Головним етапом моделювання є побудова моделі геологічного середовища та процесів, що відбуваються у ньому, на підставі дослідження закономірностей їх перебігу з використанням існуючої бази геологічної, гідрометеорологічної, геоморфологічної інформації. Труднощі моделювання стану геологічного середовища пов'язані з багатовекторністю геологічних процесів, специфікою їх взаємодії, складним характером параметрів, визначення яких потребує обов'язкового поглибленого геологічного аналізу та використання аналітичних досліджень. Вхідні параметри визначаються характером процесу та структурою геологічного середовища, в якому він відбувається. Це, як правило, динамічні параметри (швидкість, напрямок тощо), силові чинники впливу (гравітаційний, термодинамічний, об'ємні ефекти, тектонічні сили), фізичні та фізико-механічні характеристики породних комплексів (густина, вологість, модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона тощо). Математичне моделювання включає вибір реологічної моделі середовища, визначення співвідношень цієї моделі та побудову алгоритму чисельного розв'язання поставленої задачі. Розробка фізико-геологічних моделей процесів та середовищ виконується з чітким визначенням геометричних характеристик розглядуваної системи, параметрів процесів та проводиться на підставі удосконалених класифікацій. В основу алгоритмів покладено базові рівняння механіки суцільного середовища, гідромеханіки та використано емпіричні залежності по окремих регіонах. Складений на основі алгоритмів пакет програмних розрахунково-аналітичних модулів дозволяє виконати чисельний аналіз силового впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди та розрахунки НДС системи “геологічне середовище - транспортна споруда”. На основі застосування цих модулів та проведених розрахунків виконано комплексний аналіз процесів, простежено їх вплив на характер зміни параметрів геологічного середовища, охарактеризовано чинники їх формування, що дозволило визначити варіанти превентивних заходів щодо безпечної експлуатації транспортних об'єктів у межах модельних полігонів.

Розділ 5 “Комплексні моделі природно-техногенних систем. Розробка засобів кількісної оцінки впливу геологічного середовища та небезпечних геологічних процесів” присвячено створенню засобів оцінки впливу кріогенних, водних та гравітаційних процесів на транспортні споруди з визначенням їх реологічних моделей, розробкою алгоритмів або чисельним моделюванням.

Чисельне моделювання впливу кріогенних геологічних процесів на трубопровід передбачає оцінку механічного впливу на трубопровідний комплекс умов сезонно- і багаторічномерзлих ґрунтів з режимами багаторазового відтаювання і замерзання за рахунок створюваних цими процесами об'ємних ефектів. Це моделювання вимагає оцінки впливу гравітаційних сил, а також процесів сезонного і багаторічного випучування ґрунтів, полієутворення, теплового осідання ґрунту з врахуванням різних кліматичних, літологічних і механічних параметрів і у кінцевому рахунку спрямоване на визначення НДС системи “геологічне середовище - трубопровід”. Для оцінки впливу кріогенних процесів на трубопроводи на засадах теорії пружності кусково-однорідних тіл розглядається плоска деформація матриці (середовище) з включенням (трубою). Головними силовими чинниками, що діють на трубопровід, є такі: сила земного тяжіння; сили, що виникають внаслідок об'ємного розширення водонасиченого середовища під час процесу вимерзання; сили випучування, що діють на трубопровід; сили, спричинені градієнтом температур; внутрішній тиск газу в трубі.

Основні співвідношення моделі. Зв'язок між компонентами тензорів напружень () та деформацій () у випадку дії на тіло силових і температурних чинників описується співвідношенням Дюганеля-Неймана

, ,

де К - модуль об'ємного розширення; - параметри Ляме; , - символ Кронекера; середній коефіцієнт лінійного розширення матеріалу, - приріст температури.

У разі врахування зміни елементарного об'єму внаслідок процесу вимерзання використовується співвідношення

,

де - відносний приріст об'єму внаслідок вимерзання.

Враховуючи залежність між деформаціями та переміщеннями , а також фізичні рівняння рівноваги , отримуємо рівняння рівноваги в переміщеннях:

Для постановки крайової задачі необхідно додати крайові (граничні) умови, які також записуються у переміщеннях. У випадку задання на границі тіла зусиль маємо

.

У випадку задання на межі тіла переміщень одержуємо .

На контурі включення виконуються умови ідеального зчеплення:

,

де , та , - складові тензорів напружень та векторів переміщень середовища і включення, відповідно.

Поставлена задача зводиться до розв'язання системи диференціальних рівнянь Нав'є у часткових похідних, яка з урахуванням теореми взаємності робіт Бетті зводиться до системи граничних інтегральних рівнянь. Компоненти НДС визначаються з одержаної системи рівнянь модифікованим методом граничних елементів (В.І. Лавренюк, 1993). Для оцінки факторів впливу на НДС у системі “геологічне середовище - трубопровід” використано розрахунково-аналітичний модуль, який забезпечує розрахунки полів напружень та деформацій, надає можливість для виділення та прогнозування небезпечних ділянок у межах трубопроводу, а також передбачає можливість прийняття попереджувальних заходів по безпечній експлуатації трубопроводів (В.В. Шевчук, Е.М. Иваник, Н.В. Лавренюк и др., 2008).

Засоби чисельного моделювання впливу потоків в'язких, в'язко-пластичних та пластичних геологічних середовищ на ПТС базуються на алгоритмах, розроблених на підставі головних законів гідромеханіки і передбачають визначення силового впливу потоків на трубопровідні системи. Характерним параметром для визначення навантаження на трубу є число Рейнольдса. Важливу роль відіграє також співвідношення ваги труби та Архімедової сили . Відношення , разом із силою гідродинамічного опору, визначає положення труби у потоці будь-якого типу, окрім випадків переміщення гірських порід. Зазвичай трубопровід облаштований спеціальними пристроями, що утримують його на дні; якщо їхня вага недостатня, то труба відривається від дна і вигинається як у горизонтальній, так і у вертикальній площинах. Її положення у потоці (відстань від дна і від вільної поверхні води ) залежить від ширини потоку та його глибини (Н). Виокремлюються гідродинамічна силу опору , що діє у напрямку вектора швидкості набігаючого потоку, і бічна під'ємна сила , направлена перпендикулярно до вектора швидкості та до осі циліндра. Сили і залежать від швидкості та інших параметрів потоку поблизу поверхні труби та у ближньому сліді за нею. Якщо потік спрямований під кутом до поздовжньої осі труби, то гідродинамічна сила пропорційна . При малих числах Рейнольдса (“повзучі“ течії) інерційні сили значно менші від сил в'язкості, труба обтікається безвідривно, а сила опору пропорційна швидкості потоку та коефіцієнту кінематичної в'язкості м. Гідродинамічні навантаження визначаються за формулою (Д. Хаппель, Г. Бреннер, 1976):

Швидкість потоку обчислюється так (Д. Теркот, Дж. Шуберт, 1985):

де Н - глибина потоку; у - глибина занурення осі труби; - кут нахилу поверхні.

Гідродинамічні навантаження при числах Рейнольдса є квадратичною функцією швидкості потоку V:

,

де - погонна сила опору, що діє на 1 м труби у потоці; - коефіцієнт гідродинамічного опору.

Визначені експериментальні залежності коефіцієнта гідродинамічного опору покладено в основу апроксимації, що використовується у розрахунковій програмі “FORCE”, яка дозволяє обчислити гідродинамічний опір труби при обтіканні її водним, водно-грязьовим чи грязьовим потоками.

Основними вхідними параметрами є такі: динамічна в'язкість рідини, м (н·с/м²); густина рідини, с (кг/м³); діаметр труби, D (м); глибина потоку, H (м); кут між напрямком потоку і поздовжньою віссю труби, б (град.); відстань від осі труби до дна, (м); швидкість потоку, V (м/с); кут нахилу схилу ц (град.). Розглядаються два випадки обтікання труби: стаціонарний потік (руслова течія) та схилова течія.

Для подальшого використання отриманого параметра погонного навантаження на трубу і прогнозної оцінки ступеня небезпеки для трубопроводу використано комп'ютерну програму по розрахунках НДС труби, що зазнає поперечного згину.

Для оцінки впливу гідродинамічних чинників на морські трубопровідні системи застосовано експериментальні дослідження.

Для оцінки селенебезпеки розроблено алгоритм, що базується на емпіричних даних по Карпатському регіону та фундаментальних законах гідродинаміки, зокрема формулі Бернуллі, з якої отримується вираз для ударного гідродинамічного тиску:

де (т/м²) - повний тиск; (т/м³) - середня густина (питома вага) селевого потоку; (м) - глибина селевого потоку; (м/с) - швидкість селевого потоку.

Для кількісного прогнозу силового впливу селевого потоку на різноманітні об'єкти чи споруди необхідне визначення ряду параметрів селевого потоку або селевого паводка, що є складним завданням. Геолого-геоморфологічні дані про площі водозбору, параметри різнопорядкових річкових долин, характеристики потенційно селеутворюючих відкладів встановлені попередніми дослідженнями і входять до регіональних баз даних або відображаються на спеціальних картах регіону, у тому числі прогнозних. Значні труднощі виникають при визначенні головного динамічного параметра селевого потоку - його швидкості, а також глибини, пов'язаних з характером русел і долин, кількістю опадів, режимом стоку, витратами потоку. Серед об'ємних формул дощового стоку використано формулу Д.Л. Соколовського (1986), яка враховує об'єм і форму паводка:

де (м³/с) - витрати потоку; (мм) - кількість опадів, визначається як добуток середньої інтенсивності дощу та його тривалості;- коефіцієнт стоку; (год) - час підняття паводка; (км²) - площа водозбору; - коефіцієнт форми гідрографа.

Однак ефективність застосування цієї формули знижується неточністю визначення величини та коефіцієнта . Використання для визначення останнього емпіричної формули:

,

де (м/с) - найбільша швидкість по перерізу потоку, потребує даних про ще більш варіативний параметр - швидкість потоку.

Фаза підняття графіка паводка складається з пологої частини, яка відображає стік води найближчих прируслових схилів, і крутої частини, зумовленої припливом води від більшої частини басейну (Д.Л. Соколовський, 1968).

За умови відомої швидкості та при відсутності спостережень

ф_n,

де - довжина русла до розрахункового створу; v - середня швидкість добігання піка паводка, що дорівнює, у свою чергу, v=0,70v_max, де v_max - максимальна швидкість течії у створі; ф_n - час добігання піка паводка, що дорівнює часу зсуву між піком дощу і піком паводка; - тривалість підняття дощу.

За часом добігання піка паводка визначається розрахункова тривалість зливи

,

де Т - розрахункова тривалість опадів; ф_n - час добігання піка паводка; м - коефіцієнт сповільнення стоку.

Для прогнозних розрахунків більш придатною є формула Н.Є. Долгова для повного стоку

,

де - коефіцієнт розмірності; - середня інтенсивність зливи; - коефіцієнт стоку; F - площа басейну.

Інтенсивність зливи розраховується за формулою М.М. Протод'яконова (1960):

,

де b та c - параметри, що визначаються за метеорологічними даними для певного кліматичного району.

Ключове значення у розрахунковому модулі безперечно має вибір способу обчислення швидкості селевого потоку. Пропонується визначати швидкість руслової течії за формулою Шезі з коефіцієнтом за Маннінгом (М.М. Протод'яконов, 1960):

, ,

де І - середній ухил русла, ‰; - коефіцієнт нерівностей дна; - коефіцієнт, що залежить від форми поперечного перерізу русла; R - гідравлічний радіус, м; - площа живого перерізу, м².

Ці формули у розрахунковому модулі використовуються як засіб вибіркового і контрольного зіставлення результатів розрахунків, отриманих іншими, більш експресними методами, що базуються переважно на узагальнених емпіричних даних.

Пропонується поділ русел на три групи за характерною довжиною русла: 1) < 1 км; 2) км; 3) 5 км. На підставі аналізу наявних даних для кожної групи приймаються такі емпіричні залежності тривалості злив з урахуванням зміни інтенсивності та критичних швидкостей: ; ; .

Таким чином, задаючи інтенсивність зливи - , її тривалість у годинах - , площу території, на яку він випав - , здатність ґрунту вбирати воду - коефіцієнт та передбачувану довжину русла для даної місцевості - , обчислюємо швидкість та витрати селевого потоку - відповідно і .

Глибину селевого потоку обраховуємо за заданими значеннями кутів нахилу схилів та ширини потоку на дні, а також за знайденими раніше витратами та швидкостями селевого потоку:

.

Гідродинамічна сила, що діє на споруду, обчислюється за формулою:

.

На основі запропонованого алгоритму написано програмний модуль для розрахунку навантажень, що передаються на інженерну споруду під впливом зовнішнього середовища (М.В. Лавренюк). Даний модуль дозволяє проводити моделювання впливу селевих потоків, сформованих у межах Карпатського регіону, на техногенні об'єкти різного призначення з урахуванням параметрів як самих потоків, так і геолого-геоморфологічних і гідрометеорологічних даних. Моделювання спрямоване на обґрунтування проведення заходів з попередження та обмеження негативної дії селів у Карпатах.

Комплексний аналіз чинників формування зсувних процесів підтверджується результатами статистичних методів, ГІС-аналізу та картографічного моделювання, базові принципи та підходи яких визначено у роботах Е.Д. Кузьменка із співавторами (2004, 2006, 2009), Cees J. Van Westen (2000), X. Pan (2008) та ін. На основі поглибленого геологічного аналізу із залученням натурних даних досліджено роль літологічного, стратиграфічного, структурно-тектонічного, геоморфологічного та гідрометеорологічного факторів. Засобами рекласифікації спеціалізованого модуля Spatial Analyst (ArcGIS) здійснено ранжування кожного фактора за ступенем впливу на зсувоутворення та придатності виділених об'єктів відповідно до створеної концепції оцінки території. Кожний об'єкт (зсув) оцінено щодо відповідності заданим умовам. Підґрунтям є багатомірна модель, в якій окремі характеристики об'єктів відповідним чином розміщено у різних шарах ГІС. З метою визначення впливу кожного з факторів на формування зсувів виконано розрахунки вагових коефіцієнтів (коефіцієнтів інформативності). Для цього проведено процедури статистичного аналізу за методикою Е.Д. Кузьменка із співавторами (2004), обчислено парні коефіцієнти кореляції між параметрами зсувоутворення. Слід зазначити, що призначення вагових коефіцієнтів на етапі виконання аналізу потребувало певних уточнень та корегувань у процесі моделювання. Це продиктовано необхідністю поетапного групування факторів та використання результатів експертної оцінки з врахуванням даних аналітичних та польових спостережень. Всі охарактеризовані фактори комбіновано для створення загальної інтегральної прогнозної карти, що враховує розглянуті чинники для кожного місця розташування. Інтегральна карта зсувонебезпеки (рис. 4) створена методом оверлейних перетворень матричної моделі даних, що дає можливість одночасного врахування розглянутих факторів, отримання принципово нової просторової інформації та відповідної реалізації комплексної моделі зсувонебезпеки району. Отримані результати стосуються загального впливу геолого-геоморфологічних та ландшафтно-кліматичних факторів на формування зсувних явищ. Проведення ж генетичного аналізу зсувів та вивчення їх динаміки, режиму можливе тільки при детальних дослідженнях, визначенні пріоритетності впливу кожного з факторів на процес зсувоутворення.

Для кількісної оцінки гравітаційних процесів на основі фізичної моделі на засадах теорії лінійної пружності використовується математична модель досліджуваного явища. В цій моделі розглядається НДС фрагмента геологічного середовища. Основними силовими чинниками, що діють на середовище, є такі: сила земного тяжіння; сили, спричинені нерівномірним розподілом водонасиченості описуваного масиву.

Основні співвідношення моделі. Співвідношення між напруженнями і деформаціями:

,

де ;- коефіцієнт зміни вологості; - консистенція породи.

Рівняння рівноваги в переміщеннях:

,

де .

Граничні умови в напруженнях:

.

Для розв'язання крайової задачі використовується метод послідовних наближень. На кожному кроці ітераційного процесу одержуємо однорідну задачу. Задача розв'язується за допомогою модифікованого методу граничних елементів.

Для визначення меж показників текучості та пластичності різних літологічних типів гірських порід застосовуються емпіричні дані. Для встановлення взаємозв'язку механічних і фізичних параметрів ґрунтів та з'ясування граничних меж фізичного стану порід проведено статистичну обробку та інтерполяцію отриманих даних. Розроблено чисельно-аналітичний алгоритм розв'язання задачі в математичній постановці та розрахунково-аналітичний модуль (V.V. Shevchuk, O.M. Ivanik, M.V. Lavrenyuk, 2009).

У розділі 6 “Аналіз та кількісна оцінка силових чинників впливу на стан природно-техногенних систем. Прогнозна оцінка небезпечних геологічних процесів на основі комп'ютерного моделювання” здійснено кількісну оцінку силового впливу екзогенних геологічних процесів на транспортні споруди з використанням розрахунково-аналітичних засобів та комп'ютерного моделювання. Надано рекомендації щодо попередження небезпечних ситуацій у межах транспортних ПТС.

У результаті тестування розрахунково-аналітичного модуля з оцінки впливу кріогенних процесів на трубопровідні комплекси визначено характер впливу природних та техногенних факторів на НДС системи “геологічне середовище - трубопровід”. До геологічних факторів впливу віднесено такі: літологічні типи порід; чинник вимерзання, який характеризує зміну об'єму мерзлих порід залежно від водонасичення та вологоємності гірських порід; силові параметри випучування та відстань до джерела випучування. Серед техногенних складових проаналізовано величину внутрішнього тиску газу у трубі, глибину її залягання, товщину стінки та радіус. У результаті моделювання з оцінкою окремих факторів та їх можливих комбінацій визначено, що напруження і деформації у мерзлих породах разом з величиною недопущення деформації поверхні ґрунту істотно залежать від складу і будови відкладів. Так, зміна модуля Юнга для мерзлих порід, який істотним чином залежить від літологічного типу порід, температури та ступеня льодовитості порід, призводить до зміни кількісних значень показників напружень як з боку середовища, так і на зовнішньому та внутрішньому контурах труби. При інших рівних значеннях параметрів середовища максимальні напруження виникають при впливі на трубопровідні системи мерзлих пісків (модуль Юнга - 22 500 МПа) та супісків (20 000 МПа), що створюються при температурах нижче -8° С та високому ступені льодовитості порід. Зі збільшенням дисперсності і пилуватості ґрунтів при повному їх водонасиченні напруження випучування в цілому зростають у зв'язку зі збільшенням початкової вологості, міграційних потоків вологи, деформації випучування. При впливі фактора вимерзання НДС системи різко змінюється, що характеризує зміну об'єму мерзлих порід залежно від водонасичення та вологоємності гірських порід. Зміна цього показника лише на 1 % спричиняє різке зростання інтенсивності напружень; причому при збільшенні латеральних розмірів системи при умові нульових переміщень на бічних границях інтенсивність напружень також підвищується, що можна інтерпретувати як збільшення впливу середовища із зростаючим об'ємом. Так, при розмірах системи у 1,9х1,9 м інтенсивність напружень з боку середовища становить 147, 5 МПа, у 1,9х7,6 м - 692,2 МПа, у 1,9х15,2 м - 704,4 МПа, у 1,9х30,4 м - 689 МПа. На підставі аналізу комплексного впливу чинників геологічного середовища та технічних характеристик трубопроводів встановлено, що провідними чинниками впливу на НДС системи “геологічне середовище - трубопровід” і відповідно її стійкість є зміни об'єму масиву порід унаслідок поєднання процесів сезонного вимерзання ґрунту та випучування. Це викликає вигини трубопроводів та їх гофрування, опосередковане значення мають впливи гравітаційних навантажень та внутрішній тиск трубопроводу.

Тестування створеного розрахунково-аналітичного модуля “Mudflows” виконувалось із залученням даних по басейну р. Абранка, розташованого у межах Карпатського модельного полігону. Це дозволило визначити диференційованість показників селенебезпеки цієї річки та її приток залежно від морфометричних параметрів русел селевих потоків, літологічних, фізико-механічних характеристик потенційних селевих мас, площі водозбірного басейну та гідрометеорологічних чинників. Використання натурних параметрів у розрахунках в режимі комп'ютерного моделювання дозволило визначити такий важливий параметр селевого процесу, як коефіцієнт стоку, обчислення якого у гірських районах Карпат є проблемним питанням через складність ландшафтно-орографічної обстановки та зміни фізико-механічних параметрів відкладів. Значний вплив на формування селевого потоку, його швидкостей та глибини здійснюють морфологічні та морфометричні характеристики русел потоків. Максимальні рівні усереднених швидкостей потоків різних порядків залежать від інтенсивності опадів (витрат потоків) та особливостей долин (поздовжні і поперечні профілі, терасованість тощо). Режими зростання швидкостей до критичних рівнів у коротких високопорядкових притоках із значними ухилами і вузькими долинами швидко досягаються при короткотривалих зливах, і, навпаки, у довгих потоках (річках) з терасованими долинами досягнення критичних швидкостей можливе лише при тривалих зливах, які, формуючи однопікові повені на великих річках, викликають багатопікові паводки на коротких. Головні русла річок мають значний потенціал селевої небезпеки тільки у випадку значної кількості опадів та наявності крупноуламкового матеріалу у потоці. На підставі розрахунків було проаналізовано вплив різних чинників на такі показники селенебезпеки, як повний тиск селевого потоку та гідродинамічна сила, що діє на споруду. Для р. Абранка величина повного тиску селевого потоку змінюється від 3,91 до 3,39 Т/м², гідродинамічна сила, що діє на споруду - від 98,67 до 68,18 Т. Підтверджено, що небезпека створюється тільки при досягненні значних глибин потоку у межах певних перезаглиблених відрізків русла і фактично є подібною до паводкових критичних явищ, характерних для більшості річок Закарпаття.

Тестування розрахунково-аналітичного модуля “FORCE” з визначення гідродинамічних навантажень проводились на основі розрахунків впливу стаціонарних водних потоків на інженерні споруди із використанням емпіричних даних по басейну р. Латориця.

У результаті тестування розрахунково-аналітичного модуля з оцінки впливу гравітаційних процесів проведено розрахунки НДС порід схилу із змінними параметрами. Як модельний приклад обрано частину ділянки зсувонебезпечного схилу у с. Красник (Івано-Франківська область). Проаналізовано породний масив, складений суглинистими відкладами, які характеризуються модулями загальної деформації 11 та 7,2 МПа відповідно у сухому та водонасиченому стані із коефіцієнтом Пуассона 0,3 та густиною 1700 кг/м³. Ширина ділянки становить - 5 м, висота - 20 м, крутість схилу - 45є, відстань від краю схилу - 10 м. Із урахуванням цих параметрів визначено розподіл головних напружень, які змінюються від 2 до 20 МПа.

Висновки

У роботі на основі інформаційного моделювання вирішена актуальна наукова проблема комплексної оцінки силового впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС шляхом застосування: системного підходу до аналізу стану геологічного середовища; створених геологічних, фізико-геологічних, математичних та просторових моделей геологічного середовища, небезпечних геологічних процесів та ПТС; розроблених розрахунково-аналітичних засобів оцінки стійкості ПТС.

Наукові та практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Розроблено методологію комплексної оцінки стану геологічного середовища та впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС у різних ландшафтно-кліматичних і тектонічних зонах, яка базується на комплексі взаємопов'язаних геологічних, фізико-геологічних, математичних та геоінформаційних моделей складних ПТС. В їх основі - базові рівняння механіки суцільного середовища, гідромеханіки та процедури просторового аналізу.

2. Досліджено природу та механізми геологічних процесів, що здійснюють найбільш руйнівний силовий вплив на транспортні ПТС у різних ландшафтно-кліматичних та тектонічних зонах континентальних та морських умов. Серед них - кріогенні геологічні процеси, спричинені температурними та об'ємними ефектами, водно-ерозійні та водно-акумулятивні процеси, пов'язані з різними типами стаціонарних і нестаціонарних водних потоків, а також гравітаційні процеси.

3. Розроблено розрахунково-аналітичні модулі для кількісної оцінки силового впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди, що є інструментом для проведення оперативних розрахунків НДС системи “транспортна споруда - геологічне середовище”, визначення критичних навантажень на транспортні мережі в широкому діапазоні параметрів реологічно різних геологічних середовищ та граничних умов, оцінки стійкості транспортних ПТС та розробки рекомендацій з попередження надзвичайних ситуацій.

4. На підставі моделювання впливу кріогенних явищ на трубопровідні системи визначено пріоритетність аналізу стану геологічного середовища для з'ясування причин виникнення небезпечних ситуацій у межах магістральних газотранспортних систем. Створено та адаптовано фізико-геологічні моделі кріогенних процесів, розроблено алгоритм визначення НДС “геологічне середовище - трубопровід” в умовах кріолітозони, який залежить від комплексу кліматичних умов, літологічних і фізико-механічних характеристик породних комплексів. За допомогою розрахунково-аналітичного модуля встановлено провідні чинники впливу на стійкість трубопровідно-транспортної ПТС, серед яких - зміни об'єму масиву порід унаслідок поєднання процесів сезонного вимерзання ґрунту та випучування, що призводять до деформацій трубопроводів. Впливи гравітаційних навантажень та внутрішній тиск трубопроводу мають опосередковане значення.

5. Удосконалено методику чисельного моделювання впливу потоків в'язких, в'язко-пластичних та пластичних середовищ на ПТС на засадах фундаментальних законів гідродинаміки. Виконано типізацію різних типів потоків з позицій їх впливу на ПТС. За допомогою розрахунково-аналітичного модуля “FORCE” встановлено гідродинамічні навантаження на трубопровід при обтіканні його в потоках реологічно різних геологічних середовищ. На підставі розрахунково-аналітичного модуля при обчисленнях НДС труби, що зазнає поперечного згину, виконано прогнозну оцінку ступеня небезпеки для трубопровідних систем в умовах впливу водних та водно-грязьових потоків.

6. Визначено співвідношення та взаємозв'язок літологічного, геоморфологічного, структурного, гідрогеологічного, неотектонічного та сейсмічного чинників при виникненні та активізації водно-гравітаційних, гравітаційних та ерозійних явищ у межах Карпатського полігону. Обґрунтовано принципи створення ГІС для аналізу водно-гравітаційних процесів із встановленням пріоритетних факторів їх формування та розробкою оригінальної методики ранжування, визначено розрахункові параметри для створення розрахунково-аналітичних модулів та систем. На основі ГІС-аналізу та картографічного моделювання розроблено прогнозно-еталонні критеріальні моделі небезпечних геологічних процесів; запропоновано перелік критеріїв і ознак їх формування.

7. Створено класифікацію структурних зсувів з урахуванням умов їх формування, які найбільше впливають на стійкість схилів та функціонування інженерних споруд. Аналіз структури зсувних схилів дозволив окреслити методичні підходи і методи моделювання зсувної небезпеки, серед яких найбільш результативним є визначення НДС породного масиву з огляду на вибір варіантів просторових моделей та врахування факторів. Для кількісної оцінки зсувної небезпеки на основі розробленої фізико-геологічної моделі з врахуванням пружно-пластичної поведінки неоднорідного за розподілом температури та вологості масиву розроблено розрахунково-аналітичний модуль, що дозволяє визначати НДС породного масиву.

8. Розроблено математичну модель селевого процесу та алгоритм кількісної оцінки впливу селевих потоків на техногенні споруди для Карпат з урахуванням параметрів як самих потоків, так і геолого-геоморфологічних і гідрометеорологічних даних, що базується на емпіричних даних та фундаментальних законах гідродинаміки з наступним кількісним аналізом чинників селенебезпеки і моделюванням впливу селів на техногенні об'єкти на його основі. Отримані у результаті застосування розрахунково-аналітичного модуля “Mudflows” дані є підґрунтям для прийняття випереджувальних заходів щодо негативної дії селів у Карпатському регіоні.

9. Запропонована методологія є інструментом прогнозу впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди, розробки рекомендацій щодо підвищення експлуатаційної надійності техногенних об'єктів та попередження екстремальних ситуацій. Інформаційне моделювання небезпечних геологічних процесів демонструє його практичну результативність, оскільки становить базу для забезпечення ефективного і безпечного функціонування транспортних ПТС, зниження технічних, фінансово-ресурсних і соціальних ризиків та визначення раціонального комплексу превентивних заходів без громіздкого та фінансово обтяжливого традиційного обсягу спеціалізованих досліджень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Михайленко А. Г. Геоинженерные программные технологии фирмы “Bently Systems” (США) и их использование в горном деле / А. Г. Михайленко, Е. М. Иваник // Сб. науч. тр. Нац. гор. акад. Украины. 1999. Т. 2, № 7. С. 94-95.

2. Іванік О. М. Методичне підґрунтя геоморфологічних досліджень приантарктичних морів / О. М. Іванік, П. Ф. Гожик // Бюл. Укр. антракт. центру. 2000. № 3. С. 172-175.

3. Іванік О. М. Основні проблеми дослідження зсувних процесів у межах Канівського Придніпров'я / О. М. Іванік, В.О. Ржаніцин // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2002. Вип. 22. С. 116-117.

4. Іванік О. М. Особливості морфолітогенетичних процесів у межах північно-західної частини Індійського океану / О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2004. Вип. 29. С. 55-58.

5. Гожик П. Ф. Особливості стратиграфічної будови антропогенових відкладів північно-західного шельфу Чорного моря / П. Ф. Гожик, Н. В. Маслун, О. М. Іванік // Тектоніка і стратиграфія. 2005. Вип. 34. С. 103-115.

6. Іванік О. М. Передумови та основні аспекти створення підсистеми аналізу геологічного середовища для Географічних інформаційних систем магістральних трубопроводів / О. М. Іванік, А. Г. Михайленко, В. В. Шевчук // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2005. Вип. 33. С. 53-56.

7. Іванік О. М. Головні аспекти комплексної оцінки стану геологічного середовища для функціонування природно-техногенних трубопровідно-транспортних систем Західного Сибіру / О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2006. Вип. 36. С. 41-44.

8. Іванік О. М. Геологічні фактори впливу на напружено-деформований стан у системі геологічне середовище - трубопровід у кріолітозоні / О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2006. Вип. 37. C. 31-33.

9. Іванік О. М. Принципи аналізу водно-гравітаційних процесів та їх впливу на функціонування природно-техногенних систем у межах Закарпатської області / О. М. Іванік, О. М. Лісова // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2006. Вип. 38. С. 22-25.

10. Іванік О. М. Структурно-тектонічний контроль розвитку водно-гравітаційних процесів у межах Свалявського та Воловецького районів Закарпатської області / О. М. Іванік // Геол. журн. 2007. № 3. С. 81-86.

11. Іванік О. М. Режим сучасних водно-гравітаційних та селевих процесів у Свалявському та Воловецькому районах Закарпатської області / О. М. Іванік, О. М. Лісова // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2007. Вип. 40. С. 24-26.

12. Іванік О. М. Методичні засади оцінки впливу потоків в'язких та в'язко-пластичних середовищ на інженерні споруди у різних ландшафтно-кліматичних зонах / О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”.- 2007. Вип. 41. С. 58-60.

13. Шевчук В.В. Комп'ютерне моделювання впливу селевих потоків на інженерні споруди / В.В. Шевчук, В.О. Горбань, О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2007. Вип. 42. С. 117-119.

14. Комп'ютерне моделювання силового впливу водних і водно-грязьових потоків на трубопроводи / В. В. Шевчук, В. О. Горбань, О. М. Іванік [та ін.] // Геоінформатика. 2007. №. 4. С. 80-85.

15. Напряженно-деформированное состояние системы геологическая среда - трубопровод в условиях криолитозоны / В. В. Шевчук, Е. М. Иваник, В. И. Лавренюк [и др.] // Геофиз. журн. 2008. Т. 30, № 1. С. 62-70.

16. Іванік О. М. Кількісна оцінка чинників впливу на напружено-деформований стан у системі геологічне середовище - трубопровід у кріолітозоні (за даними комп'ютерного моделювання) / О. М. Іванік, М. В. Лавренюк // Геоінформатика. 2008. № 1. С. 53-59.

17. Стратиграфія кайнозою Чорноморської нафтогазоносної провінції України // Біостратиграфічні основи побудови стратиграфічних схем фанерозою України: зб. наук. пр. ІГН НАН України / П. Ф. Гожик, Н. В. Маслун, О. М. Іванік [та ін.]. К., 2008. С. 125-136.

18. Іванік О. М. Головні особливості взаємозалежностей факторів формування селевих потоків у межах басейну р. Абранка / О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2008. Вип. 43. С. 14-17.

19. Іванік О. М. Оцінка факторів зсувоутворення у межах Карпатського регіону на основі ГІС-аналізу / О. М. Іванік // Вісн. Київ. ун-ту. Сер. “Геологія”. 2008. Вип. 45. С. 56-59.

20. Іванік О. М. Просторовий аналіз та прогнозна оцінка формування водно-гравітаційних процесів на основі ГІС у Карпатському регіоні / О. М. Іванік // Геоінформатика. 2008. № 4. С. 52-58.

21. Іванік О. М. Комплексні геолого-геоморфологічні дослідження чинників формування та активізації сучасних небезпечних геологічних процесів / О. М. Іванік // Геол. журн. 2008. № 4. С. 77-88.

22. Шевчук В.В. Розробка засобів комп'ютерного моделювання селевої небезпеки в межах Карпатського регіону / В. В. Шевчук, О. М. Іванік, М. В. Лавренюк // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики. К., 2009. С. 307-318.