Введение к работе
Актуальность проблемы. Общеизвестны большие масштабы техногенного воздействия на природную среду , в частности, на подземную гидросистему. Исследование процессов техногенеза особенно важно для Уральского региона. Интенсивное развитие промышленности в течение 250-летнего периода в этом регионе способствовало тому, что экологическая обстановка на территории области стала крайне неблагоприятной, а на многих территориях является катастрофической. Все это в полной мере относится к подземной гидросистеме региона, поскольку она является частью его природной среды. Многие особенности развития региона определяют тенденции ухудшения его экологического состояния в ближайшей перспективе. Даже при полной остановке горно-промышленного производства загрязнение окружающей среды будет нарастать на протяжении 50-100 лет, а время, необходимое для восстановления естественного состояния среды, составит несколько тысячелетий. В ближайшей перспективе Российская Федерация будет оставаться одним из главных экспортеров сырьевых ресурсов, что еще более усугубит ситуацию.
Сказанное определяет необходимость проведения исследований, направленных на выработку принципов и механизмов природоохранной политики региона. Особенно это имеет большое значение для урбанизированных территорий, где техногенное воздействие наиболее, интенсивно.
Вместе с тем, выработка названных принципов и механизмов природоохранной политики с целью уменьшения техногенного воздействия на геосферы Земли, рационального и комплексного использования их природных ресурсов невозможна без представления и исследования как единых систем всех геологических комплексов и всех проявлений современных природных геодннамических процессов, а также всего комплекса разнообразного по виду и интенсивности хозяйственного использования территорий.
Предмет исследования и идея работы. Поскольку подземные гидросистемы урбанизированных территорий являются одним из элементов интенсивно экплуатируемой человеком природной среды, то конкретные формы сочетания природных и техногенных образований диссертантом предлагается исследовать в виде геотехногенных структур.
которые в свете идей В.И.Вернадского рассматриваются как формы проявления ноосферы. Сложность изучения таких систем заключается в том, что их компоненты исследуются многими разделами наук с неодинаковой методологической основой. Поскольку геотехногенные структуры проявляются как единое целое, то необходимость в разработке общей для них методологии изучения является очевидной.
Таким образом, предмет исследования — подземные природные и техногенные гидросистемы урбанизированных территории, представляемые в виде элементов геотехногенных структур, являющихся конкретными формами проявления ноосферы, и система методов их исследования, позволяющая изучать эти комплексные образования как единое целое, несмотря на то, что отдельные компоненты их исследуются разделами наук с различной методологической основой.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка теоретической основы исследования подземных природных и техногенных гидросистем урбанизированных территорий, представляемых в виде элементов геотехногенных структур, а также разработка конструктивного аппарата исследования этих структур и конкретных способов его применения. При этом, система исследования геотехногенных структур — теоретическая основа, аппарат и способы его применения, разрабатываются как раздел геоэкологии — междисциплинарной науки, изучающей верхнюю часть литосферы. Поскольку геоэкология является разделом экологии, то многие разработанные диссертантом положения применимы к экологии в целом.
Конкретные задачи работы сформулированы следующим образом.
Разработка теоретических основ геотехногенных структур различного типа.
Решение экологических вопросов на урбанизированных территориях посредством совершенствования подземных гидросистем как при строительном освоении территорий, так и при функционировании городских образований.
Экспериментальные исследования работы систем "нулевых циклов" зданий и сооружений в период устройства и при эксплуатации строительных объектов в различных инженерно-геологических, гидрогеологических и климатических условиях и разработка конкретных
решений в области строительного освоения территорий с целью совершенствования подземных гидросистем.
Постановка задач по разработке математического аппарата для использования его при исследованиях геотехногенных структур и подготовка его исходных предпосылок, базирующихся на обобщении и анализе эмпирического материала.
Разработка нормативной основы, обеспечивающей практическое применение метода гсомассива на Урале и в некоторых других регионах.
Научная новизна работы. Разработка варианта перехода от эмпирического знання в инженерной геологии и экологии к теоретическому знанию. Он заключается в определенной методологии анализа, обобщения и абстрагирования. Подготовка универсальной схемы исследования (диалоговой теории) общей как для эмпирического, так и для теоретического исследования. Разработка аппарата исследования (концепции структурного пространства). Представление исходных предпосылок для создания математического аппарата. Разработка эмпирического аппарата на основе универсальной схемы.
Фактический материал и методика исследования. Исходный фактический материал был получен, в основном, с помощью полевых и лабораторных экспериментальных работ, которые систематически проводились с 1963 года с целью разработки региональных норм и решения других задач хозяйственного освоения территорий на Урале, в Тюменской, Курганской, Ростовской областях и в Ставропольском крае. Были организованы около двадцати крупномасштабных полевых площадок в гг.Свердловске, Н.Тагиле, Первоуральске, Полевском, Ивделе, Ирбите, Камышлове. Тюмени, Тобольске, Сургуте, Новокузнецке, Волгодонске, Ставрополе.
Лабораторные опыты проводились на образцах от 1мм до Зм. Были разработаны и изготовлены более десятка экспериментальных установок; на некоторые из них получены авторские свидетельства на изобретение [42], [46]. Лабораторных экспериментов проведено несколько тысяч.
Большой объем исследований был проведен на объектах экспериментального строительства (более 100). На некоторые решения получены авторские свидетельства на изобретение.
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных приборов, обеспечивающих необходимую точность измерения перемещений, напряжений, электропроводности, термоэлектрического потенциала, потери массы, химического, минералогического и гранулометрического составов, структуры и микроструктуры испытуемых в лаборатории образцов и грунтовых блоков полевых опытных установок.
При анализе экспериментального материала были использованы традиционные методы расчета в соответствии с требованиями действующих норм, а также методы расчета теории композитов, расчета трехслойных конструкций с учетом некоторых особенностей дискретных распределений, осуществлялась разработка специальных методов расчета геотехногенных массивов.
Основные защищаемые положения. Диссертантом разработана диалоговая теория, которая охватывает все этапы исследования природно-техногенной ситуации, начиная от постановки концептуальных положений до разработки конкретных практических решений. Названные этапы выносятся на защиту в виде следующих научных положений.
Концептуальная диалоговая теория, обеспечивающая возможность сопоставления научных результатов, полученных в смежных областях, использующих разные методологические базы.
Концепция структурного пространства, определяющая возможность комплексного исследования и оптимизации системы "природная среда — техногенные образования".
Метод исследования геотехногенных структур применительно к задачам совершенствования подземных гидросистем урбанизированных тер- риторий, обеспечивающий рациональное использование и эффективную защи- ту окружающей среды осваиваемых территорий как единых систем.
Приемы использования методов исследования геотехногенных структур при разработке технических решений.
5) Исходные положения по созданию математического аппарата для оценки геоэкологического состояния территорий.
Личный вклад автора. Исходя из результатов многолетней производственной, экспериментальной и теоретической деятельности автор диссертации наметил новое направление в изучении геотехногенных объектов и экологического состояния территорий. Автором разработаны методики экспериментальных полевых и лабораторных исследований, которые были проведены коллективами под его руководством и при непосредственном участии. Диссертантом выполнен основной объем исследований по разработке положений диалоговой теории (80%), концепции структурного пространства (60%), эмпирического аппарата исследований этой концепции (90%) и технических решений по использованию теоретических разработок в практике строительного освоения территорий, а также экологической оценки территорий (90%).
Практическое значение работы и ее реализация. Разрабатываемая диссертантом система исследования геотехногенных структур — диалоговая теория, концепция структурного пространства и ее эмпирический и математический аппараты могут быть использованы как при разработке методов исследования экологического состояния территорий, так при разработке конкретных технических решений.
Разработаны предложения по совершенствованию подземных гидросистем как элементов всей системы природных и техногенных потоков, включающих кроме водных потоков, также технические, транспортные, людские потоки и потоки товаров, за счет более интенсивного и эффективного использования подземного пространства урбанизированных территорий на примере гг.Екатеринбурга и Перми. Предложена схема разработки методов геоэкологической съемки как составного элемента системы, включающей кроме самой съемки, геоэкологический мониторинг, прогноз изменения геоэкологического состояния территорий и расчет отдельных характеристик этого состояния.
Были разработаны многочисленные типы решений по устройству геотехногенных блоков и геотехногенных массивов, используемых в качестве систем "нулевых циклов'1 зданий и сооружений, применительно к условиям распространения грунтов коры выветривания на Урале, осадочных грунтов Западной Сибири, лессовых просадочных грунтов Пред-
кавказья. Эти разработки были использованы на более чем 120 объектах. В частности, в районах развития различных типов кор выветривания, по методу геотехногенного массива было возведено 90% оснований 4-го конвертора НТМК в г.Нижнем Тагиле, основания йвдельских компрессорных станций магистральных газопроводов Сибирь-Центр, основания под прецизионное оборудование на Михайловском заводе обработки цветных металлов, главной понизительной подстанции завода сварных машиностроительных конструкций в г. В.Пышма, цеха электролитической фольги комбината "Уралэлектромедь" в г. В.Пышма, ряде объектов Уральского турбомоторного завода, Северского трубного завода и т.д. Экономический эффект только в Свердловской области составил 13,6 млн.рублей ( в ценах 1980-90 гг.).
Апробация работы. Материалы данной работы докладывались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных научных совещаниях, в гом числе: 5-я Международная конференция '"Проблемы свайного фундаментостроения и фундаментов глубокого заложения", Тюмень, 1996; Международный симпозиум "Инженерная геология и окружающая среда'", Афины, Греция, 1997; Международная конференция "'Дихотомия и гомология в естественных науках", Тюмень 1998; IV Международная конференция "Новые идеи в науках о Земле", Москва, 1999; 5 Всесоюзное совещание-семинар по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях. Красноярск. 1968; Всесоюзное совещание по мерзлотоведению. МГУ. М. 1970; Всесоюзное совещание "Строительство на закарстованных территориях", Подольск, 1983; 5 Всесоюзная конференция "Проблемы инженерной геологии в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых", Свердловск, 1984; 3 Всесоюзный семинар "Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территорий городов и городских агломераций", Москва, 1987; Всероссийская конференция по механике грунтов и фундаментостроению, Санкт-Петербург, 1995; 2-е Республиканское совещание по инженерно-геологическим изысканиям в районах распространения вечномерзлых грунтов. Свердловск. 1972; 3-е Республиканское совещание по производству инженерно-геологических изысканий в районах распространения вечномерзлых грунтов, Чита, 1972; Республиканское совещание по инженерно-строительным изысканиям, Москва, 1974; Научный семинар
"Процессы разуплотнения и выветривания и их влияние на изменение прочности, деформируемости и состояния массивов горных пород". Пос. Лазаревское Краснодарского края. МГУ. 1971; Региональное совещание "Индустриализация фундамеитостроения", Уфа, 1979; Рабочее совещание "Рациональное народнохозяйственное освоение территорий распространения лессовых образований", Суздаль-Москва, 1988; XXIII научная конференция Ленинградского инженерно-строительного института. Ленинград. 1965; Областная научно-техническая конференция "Совершенствование технических решений устройства оснований и фундаментов для промышленного и гражданского строительства" Свердловск, 1967,1969,1975,1977,1979,1984,1986,1987; Научно-технический семинар "Особенности инженерно-геологических изысканий в Уральском регионе", Свердловск, Екатеринбург, 1975, 1976, 1979, 1993, 1994; Совместное заседание Научно-технических советов Госстроя СССР и Минуралсиб-строя СССР "'Применение метода геомассива для укрепления оснований сооружений, в том числе на просадочных грунтах", Москва, 1988.
Результаты экспериментальных исследований, послужившие исходными данными для выполнения настоящей работы, в наиболее полном виде изложены в 88 научно-технических отчетах, обсужденных на научно-техническом и ученых советах Челябинского геологоразведочного треста, Уралпромстройниипроекта, НИИОСП, Объединения Союзме-таллургстройниипроект. Публикации автора по теме диссертации изложены в тезисах докладов 31 различных совещаний, 46 статьях, одной монографии. Ряд исследований оформлен в виде 4 изобретений.
Показателем апробации работы является также широкое применение ее результатов в практике строительства на Урале, в Тюменской, Курганской, Ростовской областях и в Ставропольском крае. Только в Свер-дловкой области они были использованы при строительстве 111 объектов.
Структура и объем работы. Настоящая работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и предметного указателя. Объем работы составляет 190 листов машинописного текста, в том числе, 31 рисунок, список литературных источников включает 241 наименований, в том числе 233 названий на русском языке и 8 на других языках; кроме того, 4 таблицы.
Экспериментальные исследования выполнялись с участием канд.
геол.-мин. наук А.И.Нестерова, канд. техн наук В.И.Иваненко, канд. геол.-мин. наук Л.Л.Татариновой, канд. техн. наук С.Л.Кантора, инженеров В.А.Богомолова, Н.В.Мещеряковой, И.Н.Филимоновой, И.В.Черданцева и др. Основные технические решения по использованию результатов исследования в практике строительства принимались совместно с канд.техн.наук О.И.Лобовым и инж. Б.А.Фурмановьш и др. В разработке практических вопросов и проектировании работа проводилась вместе с коллективами института Уральский Промстрой-Нййпроект и Главсредуралстроя. Часть работ, особенно в районах распространения просадочных грунтов, была проведена под непосредственным руководством акад. Е.М.Сергеева и акад. В.И.Осипова. В разработке теоретических вопросов большую помощь оказали акад. В.И.Осипов, докг. техн.наук В.В.Лушников, докт.техн.наук В.Г.Зотеев, докт. геол.-мин.наук Л.В.Анфимов. Всем перечисленным лицам автор выражает свою искреннюю благодарность. Автор благодарен акад. В.А.Коротееву — директору института геологии и геохимии УрО РАН и руководству Уральского промстройниипроекта за создание благоприятных условий для выполнения работы.
