Информационная инженерно-геологическая модель городских территорий для строительного освоения (на примере г. Ханты-Мансийска)

1. Инженерно-геологическая система г. Ханты-Мансийск – структурная область литосферы, сформированная в процессе истории геологического развития и состоящая из ряда компонентов и их параметров, определяющих режим ее функционирования. Закономерности динамики развития природных и техноприродных процессов определяются взаимодействием компонентов инженерно-геологической системы г. Ханты-Мансийск.
Современный уровень строительства дает возможность строить сооружения любого уровня и класса ответственности даже в сложных геологических условиях, однако затраты по устранению всевозможных неблагоприятных
факторов, осложняющих как само строительство, так и их последующую эксплуатацию, могут быть настолько существенными, что превысят экономический эффект, достигаемый дальнейшим использованием проектируемого сооружения. В этом случае основой для проектирования и строительства служит корректная оценка инженерно-геологических условий, основанная на системном подходе, которая может быть представлена в виде разработанной инженерно-геологической системы, учитывающей все особенности инженерно-геологических условий территории. Поэтому вслед за Г.К. Бондариком, И.С. Комаровым, В.Т. Трофимовым и другими предлагаем рассматривать инженерно-геологические условия как инженерно- геологическую систему (ИГС), основная структура которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структура инженерно-геологической системы г. Ханты-Мансийск
Все выделенные компоненты связаны и обеспечивают взаимное влияние, а также определяют условия размещения сооружений, их конструктивные особенности.
Подсистема «Геолого-геоморфологические условия» включает в себя 4 основных компонента: геоморфологический облик, геодинамические и неотектонические условия, геологическое строение, состав и свойства грунтов.
Геоморфологический облик. Согласно высотным отметкам и положению в рельефе, г. Ханты-Мансийск разделен на три части: пойма р. Иртыш с
абсолютными отметками 0-30 м, I и II надпойменные террасы, с абсолютными отметками 30-50 м и «Самаровский останец», занимающий центральную часть города с высотными отметками до 120 м (рис. 2). В геоморфологическом отношении останец представляет собой четко выраженную «караваеобразную» положительную форму рельефа со сглаженной вершиной и крутыми эрозионными склонами.
Рис. 2. Схема зонального строения г. Ханты-Мансийска
Геодинамические и неотектонические условия. Геодинамическая природа «Самаровского останца» сформулирована Р.Б. Крапивнером, который высказал предположение о диапировом механизме формирования (рис. 3). Анализ и интерпретация матриц абсолютных отметок дневной поверхности с использованием низкочастотных и высокочастотных трансформаций показали, что вся территория г. Ханты-Мансийска может быть разбита на ряд элементов, среди которых выделяются главные – диагональные, широтные и меридиональные, которые могут быть интерпретированы:
 как диагональные – плоскости главных напряжений;
 широтные и меридиональные – плоскости активизации эрозионных процессов.
Геологическое строение. На рассматриваемой территории картируемыми являются отложения четвертичной системы (квартера). Однако в составе этих отложений содержатся разной величины глыбы и пласты пород эоцена и палеоцена, за которыми утвердилось название «отторженцы».

Рис. 3. Общая модель современных геодинамических процессов городской территории
В геологическом строении зоны поймы, I и II надпойменных террас принимают участие аллювиальные, аллювиально-озерные отложения, перекрытые делювиально-пролювиальными отложениями ручьев. Полный геологический разрез, начиная с палеогена и заканчивая квартером, можно проследить лишь в пределах «Самаровского останца» (рис. 4).
В основании разреза залегают отложения талицкой свиты. Отложения представлены алевритистыми глинами темно-серыми и черными с бурым оттенком, плотными аргиллитоподобными, с линзами и прослоями кварцево- глауконитовых песков и песчаников.
Палеоцен-эоценовые отложения Люлинворской свиты представлены опоками и опоковидными глинами зеленовато-серыми и темно-серыми, серыми глинами с прослоями диатомитов, оскольчатыми глинами с прослоями глинистых алевритов.
На морских эоценовых отложениях залегают континентальные олигоценовые отложения. Они включают атлымскую свиту, сложенную озерно- аллювиальными отложениями, представленными песками светло-серыми до белых, с прослоями глин и алевритов, и новомихайловскую, представленную аллювиальными песками желтовато-серыми мелкозернистыми, с прослоями буровато-коричневых алевритов, и туртасскую свиту, сложенную зеленовато- серыми микрослоистыми глинами, алевритами, мелкозернистыми глинистыми песками.
Рис. 4. Геологический разрез территории г. Ханты-Мансийска
В пределах «Самарского останца» палеогеновые отложения не образуют непрерывного единого горизонта, разделяющего отложения плиоцена и квартера. В составе новейших отложений породы палеогена залегают на разной высоте в виде разной величины глыб и пластов.
Отложения четвертичной системы включают талагайкинскую свиту талагайкинского горизонта, представленную аллювиальными песками серыми и светло-серыми, и мансийскую толщу кочковского горизонта, представленную ледниково-озерными отложениями, а также отложения ширтинского горизонта, слагающие аккумулятивную часть пятой террасы.
Состав и свойства грунтов. Физико-механические свойства грунтов изменяются в широких пределах, их значения определяются генетическим типом, литологическим составом и состоянием грунтов (табл. 1).
Подсистема «Гидрогеологические условия». Гидрогеологические условия территории весьма сложные. Плиоцен-четвертичный водоносный комплекс является основным, определяющим инженерно-геологические условия города. Глубина установившегося уровня подземных вод зависит от геоморфологических условий: на плоских междуречных пространствах уровень обычно залегает на глубине 2-3 м; на бортах крупных эрозионных врезов уровень подземных вод устанавливается на 10-15м от поверхности земли, а в прирусловой зоне приближается к отметке уреза поверхностного водотока.
Исключением из отмеченного является площадь распространения плиоцен- четвертичного водоносного комплекса в границах «Самаровского останца». Здесь в пределах высоких (60–100м) отметок рельефа в отложениях мужиноуральской свиты и мансийской толщи присутствуют два спорадически распространенных водоносных горизонта. Это горизонты, приуроченные к маломощным песчаным прослоям среди глин «салехарда» и к пескам среди палеогеновых опоковидных отложений мансийской толщи.

Таблица 1 Основные показатели физико-механических свойств грунтов
Изучаемая зона
Наименование грунта Показатели физико-механических свойств
W, ρ, С, φ, Е, д.е. г/см3 МПа град МПа
Озерно-аллювиальные отложения
Супесь твердая-текучая Суглинок твердый-текучий Песок
0,18 1,81 0,018 27 8,4 0,22 1,87 0,035 21 7,0 0,16 1,58 0,007 32 15,4
Делювиальные отложения
Супесь твердая-текучая 0,26 1,94 0,012 21 7,4
Суглинок твердый-текучий 0,30 1,91 0,025 17 6,5 Ледниково-озерные отложения
Глины, опоковидные глины 0,36 1,76 0,074 16 7,9
Супеси, суглинки
0,68 1,51 0,033 20 8,2 Аллювиальные отложения поймы
Песок пылеватый-средней крупности
Супесь твердая-текучая Суглинок твердый-текучий Глина тугопластичная-текучая
0,13 1,62
0,27 1,89 0,33 1,92 0,40 1,84
0,008 32 6,7
0,037 23 9,5 0,038 18 7,2 0,071 20 3,0
Аллювиальные отложения I и II надпойменных террас
Песок пылеватый-средней крупности
Супесь твердая-текучая Суглинок твердый- текучепластичный
0,16 1,57
0,23 1,77 0,25 1,94
0,007 35 6,6
0,028 26 5,9 0,036 18 3,9
Подсистема «Экзодинамические условия». Природные и техноприродные процессы на территории города отличаются разнообразием и интенсивностью.
Развитие природных и техноприродных процессов в пределах инженерно- геологической системы г. Ханты-Мансийск обусловлено набором компонентов, в том числе климатическими особенностями, геоморфологическим обликом, литологическим составом пород, их низкими механическими свойствами, унаследованностью оврагами современных геодинамических процессов.
Среди значительного разнообразия процессов наибольшее развитие получили овражная эрозия, оползневые процессы, подтопление, заболачивание.
Исследования показали, что овраги всех стадий развития относятся к склоновому типу и сосредоточены в южной, юго-восточной и юго-западной частях останца, где градиент перепада высот составляет 70 м (рис. 5).
Овраги IV стадии (стабилизации) имеют длину от 375 до 2050 м – это балки и собственно овраги. Для них характерны асимметрия поперечного профиля, глубина вреза основного русла достигает 20-37м, углы наклона бортов изменяются от 4 до 70 °. Донная эрозия развита слабо.
Террасо-вая Зона поймы Зона «Самаровского зона останца»
Рис. 5. Схема развития опасных процессов на территории г. Ханты-Мансийска
Овраги III стадии развития имеют длину от 80 до 425 м, глубина вреза от 1,5 до 19 м, ширина по бровке от 10 до 132 м, ширина по тальвегу от 2 до 15 м, углы наклона бортов от 9 до 60 °. Продольный профиль имеет вид плавной кривой, верхняя часть оврага имеет обрывистые формы, в нижней выполаживается. По дну оврага течет постоянный водоток.
Овраги II стадии развития приурочены к южному склону, являются активными. Размеры их менее значительны, но скорость развития высока. Преобладает донная эрозия, боковая развита незначительно.
Овраги I стадии развития – промоины, характеризуются глубиной вреза до 1 м, длиной до 10-12 м.
Таким образом, овраги зрелой стадии (III-IV) имеют значительную длину, ширину и глубину вреза, для них характерно выполаживание склонов, образование широкого плоского дна; молодые овраги (I-II) характеризуются меньшими размерами, наличием крутых склонов и ярко выраженной донной эрозией. Увеличение площади, занимаемой оврагами III-IV стадий, происходит за счет роста отвершков I-III порядков.
Факторы, определяющие формирование оползней, подразделяют на 2 группы: условия, отражающие исходное состояние геологической среды (рельеф,
литологический состав и физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия); процессы и воздействия, изменяющие исходное состояние склонов (овражная эрозия, геодинамика, техногенные воздействия). В пределах ИГС выделяются оползни: структурно-пластические, пластические и оползни блоки (рис. 6). Оползневые склоны сложены супесчано-песчаными грунтами с редкими прослоями суглинков и супесей. Размеры оползней: длина 3–25 м, ширина – первые десятки метров, глубина захвата 1–3 м. Для них характерно наличие бровки срыва.
Рис. 6. Оползни
Процессы заболачивания, широко развитые в регионе, в пределах города имеют ограниченное распространение. Они наблюдаются в северной его части, а также на локальных участках выполаживания склоновой части «Самаровского останца». Причиной заболачивания являются и техногенные факторы, такие как неправильное планирование территории, нарушение естественных условий поверхностного стока, утечки из инженерных сетей.
С целью оценки возможной активизации природных и техноприродных процессов был выполнен прогноз динамики их развития. В качестве главных методов были выбраны: аналогий, расчетные и специального инженерно- геологического районирования.
Оценка ИГС по степени опасности овражной эрозии проводилась с использованием количественных показателей: коэффициента овражно-
балочного расчленения об, коэффициента овражно-балочной пораженности п, плотности овражной эрозии П, средней длины оврагов ср.
Прогноз опасности от овражной эрозии осуществлялся с помощью потенциала прироста овражной эрозии. Выполненные расчеты показали, что наибольший прирост объема характерен для оврагов II стадии развития и составляет 2,41; 11,35 и 21,53 % для 10, 50 и 100 лет соответственно.
В качестве расчетной схемы прогноза оползневого процесса выбрана методика определения предельного угла внутреннего трения по поверхности ослабления пород в отдельных точках оползневого массива. Основным количественным показателем, используемым при прогнозе устойчивости исследуемой территории к оползнеобразованию, является коэффициент запаса устойчивости.
Полученные карты инженерно-геологического районирования территории позволили установить общие и локальные закономерности динамики развития природных и техноприродных процессов, которые являются основой оценки и прогноза ИГС.
2. Установленные компоненты инженерно-геологической системы г.Ханты-Мансийска и прогноз развития природных и техноприродных процессов позволяют создать информационную инженерно-геологическую модель территории города на основе инженерно-геологического районирования, что обеспечит эффективную систему принятия оптимальных проектных и управляющих решений.
Решение инженерно-геологической проблемы в рамках концепции устойчивого развития городов, в том числе г.Ханты-Мансийска, должно базироваться на прогнозировании изменений состояния приповерхностной области литосферы в связи с естественными и техногенными взаимодействиями.
Устойчивость геологической среды – это способность приповерхностной области литосферы, взаимодействующей с орудиями и продуктами труда человека (геологическая среда), сохранять свое состояние, структуру и свойства в некотором диапазоне естественных и техногенных взаимодействий.
Лучшим способом отражения подсистем и компонентов инженерно- геологической системы г. Ханты-Мансийск является построение информационной инженерно-геологической модели, под которой В.Т. Трофимов понимал: «Карта (в том числе инженерно-геологическая) как модель является, по общему признанию, одновременно и информационной, и гносеологической. Её информационность заключается в способности хранить сведения об объектах в виде графических данных и «передавать» их с целью разработки методов и средств воздействия на природные и общественные процессы. Гносеологичность карты состоит в возможности устанавливать на её основе, с использованием специальных методов исследования, объективные закономерности природных и общественных процессов».
Процесс построения информационной инженерно-геологической модели г. Ханты-Мансийска включает в себя несколько этапов:
I этап – анализ всех компонентов, определяющих инженерно-геологические условия;
II этап – определение подсистем ИГС г. Ханты-Мансийска и выделение главных компонентов;
III этап – обоснование количественных параметров главных компонентов ИГС; построение покомпонентных карт и их анализ;
IV этап – получение синтетического показателя; построение карты инженерно-геологического районирования и ее анализ.
Информационная инженерно-геологическая модель г.Ханты-Мансийска представляет собой синтетическую карту, полученную путем подсчета суммы баллов каждого из выбранных параметров, характеризующих компоненты ИГС. В качестве таких параметров были выбраны: уклон рельефа; коэффициент пораженности территории природными процессами; коэффициент овражно- балочного расчленения; плотность овражной сети; коэффициент запаса устойчивости; вероятность затопления территории на 50-летний период; положение УГВ; мощность слабых грунтов; геодинамическая устойчивость территории.
Анализ синтетической карты инженерно-геологического районирования, а также ряда параметров позволил сделать следующие выводы (рис. 7):
 Территория города по геоморфологическим, геодинамическим и инженерно-геологическим особенностям делится на три зоны: «Самаровский останец», пойменная и террасовая зоны.
 В каждой зоне при определении степени устойчивости территории работает свой набор компонентов и параметров, их отражающих.
 На модели выделены четыре типа участков, отличающихся друг от друга инженерно-геологическими условиями, степенью устойчивости к техногенному воздействию.
Представленная информационная модель может использоваться городской администрацией при проектировании и строительстве на вновь осваиваемых территориях, а также для принятия архитектурно-планировочных решений по обеспечению устойчивости и безаварийного функционирования зданий. Такая модель отражает в комплексе всю сложность ИГС и может являться основанием при постановке и проведении литомониторинга.
3. Создание системы литомониторинга позволит разработать рекомендации по управлению компонентами инженерно-геологической среды с целью нейтрализации ее изменения.
В основе разработки структуры литомониторинга инженерно- геологической системы г. Ханты-Мансийск лежит инженерно-геологический анализ, установленные закономерности развития составляющих ее компонентов и полученная информационная инженерно-геологическая модель города.
Рис. 7. Синтетическая карта инженерно-геологического районирования территории г. Ханты-Мансийска
Целью литомониторинга является установление причинно-следственных связей изменения состояния компонентов инженерно-геологической системы, и угроза их активного развития зданиям и сооружениям.
Задачи литомониторинга:
 изучение и анализ состояния компонентов, составляющих инженерно- геологическую систему г. Ханты-Мансийск;
 своевременное выявление и прогнозирование изменений ИГС при воздействии природных и техноприродных процессов;
 прогноз развития опасных природных и техноприродных процессов;  комплексная оценка перспектив градостроительного освоения;
 передача данных в административные органы и проектные
организации с целью разработки управленческих решений.
Учитывая особенности ИГС г. Ханты-Мансийска, ее структуру, пространственно-временные закономерности изменения компонентов разработали структуру литомониторинга (рис. 8).
Рис. 8. Структура литомониторинга ИГС г. Ханты-Мансийска
Блок контроля за изменением состояния компонентов ИГС включает в себя: маршрутные наблюдения и организацию режимной сети.
Маршрутные наблюдения будут выполняться с целью оценки интенсивности развития и площадного распространения природных и техноприродных процессов и явлений, а также деформаций существующих зданий и сооружений, включают в себя визуальное обследование и фотодокументирование. Результаты зафиксированных деформаций срочно передаются в администрацию города с целью принятия управленческих решений и организации сети режимных наблюдений.
Маршрутные наблюдения проводят два раза в год: после активного снеготаяния в весенний период и обильного выпадения жидких осадков в осенний период.
Режимная сеть организуется с целью количественной оценки состояния компонентов ИГС и включает в себя точки наблюдений, наблюдательные полигоны (площадные, линейные) (рис. 9). Точки наблюдений – это глубинные репера, закопуши и шурфы, гидрогеологические скважины, которые позволяют следить за разуплотнением грунтов, изменением конфигурации (глубины, ширины) овражной эрозии, появлением закольных трещин и ростом размеров оползневых смещений, изменением положения УГВ.
Пункты получения информации размещаются на всех выделенных категориях участков, но наиболее плотно в пределах участков с низкой категорией устойчивости и неустойчивых.
Блок управления – это система, состоящая из двух звеньев:
 Автоматизированная информационная система – система по получению набора картографической информации, удовлетворяющей таким
функциям литомониторинга, как оценка и прогноз изменения компонентов инженерно-геологической системы г. Ханты-Мансийска.
Рис. 9. Карта расположения точек наблюдения и наблюдательных полигонов
 Система принятия управленческих решений – административные органы и проектные организации, которые на основе переданной из автоматизированной информационной системы наборов картографических продуктов принимают решения по минимизации и контролю развития опасных природных и техноприродных процессов, а также разработки решений по сохранению и развитию инфраструктуры города.
Структура автоматизированной информационной системы представляет собой пакет программ, базирующихся на предварительно разработанных или

соответствующим образом адаптируемых алгоритмах, обеспечивающих создание и корректировку прогнозных моделей для описания процессов, вовлеченных в сферу литомониторинга (рис. 10).
Рис. 10. Структура автоматизированной информационной системы
Автоматизированная информационно-поисковая система служит для накопления, систематизации, хранения и вывода информации по запросу пользователя и составляется на основе формализации информации, полученной в процессе выполнения инженерно-геологических исследований: данные бурения скважин различного назначения (инженерно-геологические, гидрогеологические, картировочные и др.), геофизические наблюдения (сейсмические, электроразведочные и др.), результаты инженерно- геологического обследования зданий и сооружений, территорий развития геологических и инженерно-геологических процессов, данных дистанционного зондирования, а также полученных из блока контроля за изменением состояния компонентов инженерно-геологической системы.
Любой инженерно-геологический процесс (овраг, оползень, зона повышенных деформаций зданий и др.) в некотором явном контуре можно представить множеством точек наблюдений, каждая из которых представляется таблицей и хранится в виде структурированной файловой системы.
Автоматизированная система обработки данных представляет собой набор программных комплексов и их модулей, выполняющих по заранее созданным алгоритмам (макросам) преобразование бумажных картографических материалов, аэро- и космоснимков в цифровые модели в единую базу данных с пространственной привязкой.
Автоматизированная система обработки данных реализуется на базе геоинформационной системы ArcGIS 10, что позволяет формировать элементарные слои, к которым относятся: изолинии рельефа, гидросеть, жилые и нежилые здания, дорожная сеть, точки наблюдения, инженерно-геологические скважины, архивные инженерно-геологические скважины, линии инженерно- геологических разрезов, линии сейсмических профилей, реперные участки, геолого-генетические типы и литологический состав пород, линии геологических разрезов, деструкции, оврагообразование, осыпи, оползание

склонов, мелкие эрозионные формы (промоины, овраги первой стадии), заболачивание, уровень грунтовых вод, химический состав воды, родники, деформации зданий и инженерных сооружений.
В предметных элементарных слоях к каждому пространственно определенному объекту (скважина, родник, линия профиля и т. д.) реализовано подключение соответствующих таблиц по типу «горячая связь», что позволяет формировать в автоматическом режиме справочные запросы типа «Показать».
Автоматизированная прогнозно-диагностическая система позволяет на основе интегрирования некоторой совокупности элементарных слоев получать тематические, картографические и прогнозные слои.
По существу именно набор тематических карт, кроме информационного назначения поддержки процессов проектирования, является фундаментальной основой для реализации всех необходимых функций, обеспечивающих объективный контроль и прогноз изменения параметров ИГС.
На основе серии тематических слоев выполнена разработка целевых картографических продуктов (кластерных слоев), которые позволяют реализовать такие функции литомониторинга, как оценка, прогноз и управление ИГС, и могут быть приняты за основу для разработки проекта защитных мероприятий и принятия управленческих решений.
Таким образом, создание системы литомониторинга ИГС г.Ханты- Мансийска позволит обеспечить надежное и безаварийное функционирование сооружений и избежать чрезвычайных ситуаций.
Получаемая в ходе литомониторинга информация должна учитываться и использоваться городской администрацией при проектировании и строительстве на вновь осваиваемых территориях, а также для принятия архитектурно- планировочных решений по обеспечению устойчивости и безаварийного функционирования зданий и сооружений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы, определяющие научную новизну и практическую значимость работы:
1. Определена структура инженерно-геологической системы г. Ханты- Мансийска, выделены подсистемы и характеризующие их компоненты. Основными подсистемами инженерно-геологической системы г. Ханты- Мансийска являются: геолого-геоморфологические, гидрогеологические и экзодинамические условия.
2. Установлено, что основные закономерности динамики природных и техноприродных процессов инженерно-геологической системы г. Ханты- Мансийска, находятся в тесной зависимости от состояния компонентов подсистем.
3. Выполнен прогноз развития природных и техноприродных процессов. Прогноз опасности от овражной эрозии осуществлялся с помощью потенциала прироста овражной эрозии. Выполненные расчеты показали, что наибольший
прирост объема характерен для оврагов II стадии развития и составляет 2,41; 11,35 и 21,53 % для 10, 50 и 100 лет соответственно.
В качестве расчетной схемы прогноза оползневого процесса выбрана методика определения предельного угла внутреннего трения по поверхности ослабления пород в отдельных точках оползневого массива. Основным количественным показателем, используемым при прогнозе устойчивости исследуемой территории к оползнеобразованию, является коэффициент запаса устойчивости.
4. Обоснован подход к созданию информационной инженерно- геологической модели г. Ханты-Мансийска. В пределах города выделено 4 категории участков с различной степенью устойчивости: устойчивые, относительно устойчивые, низкой устойчивости, неустойчивые, отличающиеся друг от друга инженерно-геологическими условиями, степенью устойчивости к техногенному воздействию. Данная информационная модель может являться основой при проектировании зданий и сооружений, а также принятии архитектурно-планировочных решений.
5. Разработана структура литомониторинга инженерно-геологической системы г. Ханты-Мансийска, позволяющая решать следующие основные задачи: определять состояние геологической среды в заданный отрезок времени; проводить фоновые наблюдения на территории размещения объекта и прилегающей территории; выполнять сравнительный анализ данных, полученных при равновесном состоянии объекта с данными, полученными при литомониторинге; определять источники воздействия на состояние инженерно- геологической системы г. Ханты-Мансийска; выполнять прогноз реакции геологической среды на техногенные воздействия и возможного ущерба, наносимого ей как в процессе нормальной работы, так и в аварийных ситуациях объектов.
6. Созданная информационная инженерно-геологическая модель может быть использована на уровне Департамента строительства и других организаций, вовлеченных в процессы развития инфраструктуры и литомониторинга компонентов инженерно-геологической системы г. Ханты-Мансийска.