- -
- 100%
- +
На протяжении последних лет жизнедеятельности рассмотренные факторы сибирских городов проявили свою специфику особо отчетливо, усилив дисбаланс их развития. Вследствие этого вопросы комфортного и безопасного проживания обострились. Комплекс проблем, характеризующих ситуацию, представлен на рис. 1.1. Сложилось так, что в городской застройке находятся вредные производства, склады горючего, ядохимикатов, ТЭЦ, котельные и пр., что недопустимо в принципе. Такая ситуация требует проведения анализа и выработки мер безопасности, вплоть до выноса объектов за черту города.
Рис. 1.1. Комплекс проблем и факторы безопасного градостроительства
В качестве мер защиты необходим комплексный подход к вопросам градостроительной экологии с анализом развития города через призму воздействия на окружающую среду и условия существования человека (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Составные элементы безопасности
Жилищный фонд Красноярского края можно условно разделить на пять основных групп:
1.Старые здания и сооружения, построенные в ХIX – начале ХХ вв., – менее 5 %.
2. Постройки 20 – 50-х гг. – около 25 %.
3. Массовое крупнопанельное строительство 60 – 80-х гг. – 35 %.
4. Дома улучшенной планировки – 32 %.
5. Индивидуальное (элитное) жилье – около 3 % (с тенденцией увеличения).
Формирование промышленных комплексов и строительство промышленных зданий и сооружений в регионе происходило импульсивно:
• в начале ХХ в. было обусловлено строительством Транссибирской магистрали;
• 50-х гг. – началом Великой Отечественной войны и эвакуацией заводов из западных районов страны;
• 60 – 80-х гг. – интенсивным развитием цветной металлургии, энергетического, машиностроительного, химического комплексов.
Наиболее негативное влияние на инфраструктуру г. Красноярска оказал второй период. Ситуация начала Великой Отечественной войны не позволяла с достаточной обоснованностью осуществлять выбор и инженерно-, гидро- и геологические обоснования площадки под строительство промышленных объектов и их конструктивных решений.
Определяющим условием обеспечения безопасности и надежности зданий и сооружений является правильный и всесторонний учет природных и климатических воздействий. Однако в связи с недостаточной изученностью отдельные районы Красноярского края на картах районирования территории страны по климатическим характеристикам представлены схематично.
Согласно нормативной карте ОСР–97 «Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации» южные районы Красноярского края, а также соседние республики Хакасия и Тыва расположены в зоне Саянских сейсмических разломов и примыкают к Байкальской рифтовой зоне. Для этих регионов существует высокая вероятность землетрясений силой 6 – 8 баллов. В сейсмически активной зоне Красноярского края располагаются более 300 опасных промышленных объектов: химические производства, хранилища химически опасных веществ, ядерные промышленные и военные объекты, гидроэлектростанции, предприятия топливно-энергетического комплекса и др.
1.3. Классификация катастроф и аварий
Катастрофы, как правило, классифицируются по признакам природных проявлений – землетрясения, цунами, ураганы, сели и др. Что касается аварий, с учетом большого многообразия инженерных сооружений с существенными отличиями по материалам, условиям эксплуатации и другим особенностям создать единую системную классификацию, очевидно, невозможно.
Даже для более узкой задачи – классификации строительных объектов – подход у разных авторов различный.
Так, Ф. Д. Дмитриев выделяет в качестве главных факторов, являющихся причинами аварий, стихийные силы природы, несовершенство инженерно-технических знаний, социально-экономические условия, присущие капиталистическому обществу [4]; Мак-Кейг – невежество, экономию, небрежность, стихийное бедствие [5]; А. И. Кикин – силовые воздействийя, механические, физические и химические воздействия [6]; И. А. Мизюмский – ошибки проектирования, дефекты, возникающие в процессе производства работ; эксплуатации, недостаточную изученность условий работы и свойств материалов [7].
В книге [8] приведена классификация металлических конструкций по восьми причинам аварий:
1. Снег и непродуманная его очистка, наледи, производственная пыль; несоответствие фактических весов конструкций запроектированным; ветер; крановая нагрузка; динамическое воздействие нагрузки; температурные воздействия.
2. Перегрузка; отсутствие надлежащей развязки сжатых поясов; недостаточное количество или несвоевременная расстановка связей (постоянных и временных); большая гибкость элементов, эксцентричное приложение нагрузки; нарушение проекта производства работ (ППР); наличие вмятин и погнутостей; податливость монтажных стыков; несвоевременная или неправильная анкеровка опор; температурные деформации при неудачном закреплении связей; недостаточная толщина в листовых конструкциях; искажение геометрической формы (в резервуарах, балках и подобных конструкциях); неудачное крепление оттяжек, вант; следствие неудачной строповки при монтаже; включение в проект новых инженерных решений без достаточной экспериментальной проверки; ошибки в расчетах, в чертежах.
3. Хрупкое разрушение в результате применения хладноломких сталей и конструктивных форм элементов с пониженной хладостойкостью; хрупкое разрушение сварных швов; замена одних профилей другими; недостаточная прочность, жесткость и устойчивость; неудачный выбор расчетной схемы (несоответствие действительной работе конструкций); несоответствие чертежей, выполненных в стадиях конструкции металлические (КМ) и конструкции металлические и деталировка (КМД); наличие концентраторов напряжений; примитивный приближенный расчет конструкций; неудачное конструктивное решение главным образом узлов сопряжений; занижение расчетной нагрузки по сравнению с реальной; недооценка жесткости узлов, внецентренное прикрепление элементов; невыполнение требований ремонтопригодности; низкая квалификация исполнителей; отсутствие авторского и технического надзора.
4. Ошибки при выполнении сварки в зимнее время; строповке; неправильный порядок наложения сварных швов; некачественная сварка; дефекты хранения и транспортировки конструкций; дефекты укладки сборных железобетонных плит покрытия; неправильная временная расчалка конструкций; отступление от ППР; монтаж конструкций главным образом до приемки нулевого цикла; неверный выбор способа и порядка монтажа; повторная склепка и т. п.; применение некачественных материалов; низкое качество изготовления конструкций, монтажа; недооценка монтажных нагрузок; несвоевременная постановка связей жесткости; изгиб косынок в плоскости наименьшей жесткости при небрежном выполнении монтажа; устройство не предусмотренных проектом отверстий и пазов; невыполнение требований ремонтопригодности, ввод в эксплуатацию конструкций (зданий и сооружений) с существенными недостатками.
5. Подвеска к конструкциям различного вида дополнительного оборудования; отсутствие периодического осмотра состояния конструкций; перегрузка снегом, производственной пылью; коррозия стали; ошибки, допущенные при реконструкции сооружений и усилении конструкций; увеличение нагрузки без усиления конструкций, без регулирования в них напряжений; отсутствие защиты конструкций, работающих в агрессивных средах; устройство не предусмотренных проектом отверстий и лазов.
6. Усталостные разрушения; разрушения от старения; вибродинамическое действие кранов, подвижного состава и т. п.
7. Неравномерная осадка сооружения, железобетонных колонн под стальные подкрановые балки; дефекты в кирпичной кладке, на которую опираются металлоконструкции; потеря устойчивости основания; неравномерное промораживание грунта; наличие перекошенных закладных частей; пучение грунта; замачивание лессовидных грунтов; дефектность инженерно-геологических изысканий.
8. Различные обвалы, взрывы, подмыв фундаментов, обрушения, вышележащих конструкций, удары и т. п.; аварии, вызванные сейсмическими воздействиями, ураганными ветрами и наводнениями.
Исследования аварий привели к выводу о том, что к наиболее типичным сочетаниям основных причин аварий относятся потеря устойчивости и перегрузка независимо от того, в результате чего они произошли.
Необходимо отметить, что некоторые условности в определениях, принятых в классификации, всегда неизбежны. Отметим, что аварии, как правило, вызваны не одной причиной, а их сочетанием.
2. Землетрясения
Землетрясение – подземные толчки и колебания земной поверхности, возникшие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний. Интенсивность землетрясений оценивается в сейсмических баллах или определяется величиной магнитуды.
В СССР использовалась 12-балльная сейсмическая шкала (ГОСТ 6249–52) и шкала MSK-64 – шкала Рихтера [2]. Сейсмический балл – условная единица интенсивности землетрясения на поверхности земли. Шкала Рихтера – сейсмическая шкала магнитуд, основанная на оценке энергии сейсмических волн. Соотношение между магнитудой землетрясения по шкале Рихтера и его силой в эпицентре по 12-балльной шкале зависит от глубины очага. Шкала предложена в 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером.
2.1. Обобщенные сведения о землетрясениях
Распределение землетрясений территориально неравномерно. Оно определяется перемещением и взаимодействием литосферных плит.
Известны два главных сейсмических пояса: Тихоокеанский, охватывающий кольцом берега Тихого океана и выделяющий до 80 % всей сейсмической энергии, и Средиземноморский.
При землетрясениях движение грунта носит волновой характер. Волны трех типов распространяются с различными скоростями: продольные, поперечные и поверхностные. Колебания грунта в сейсмических волнах возбуждают колебания зданий и сооружений, вызывая в них инерционные силы. При недостаточной прочности (сейсмостойкости) конструкций происходят их повреждения различной степени или разрушения.
Сейсмическая опасность при землетрясениях определяется как интенсивными колебаниями грунта, так и вторичными факторами, к которым относятся: лавины, оползни, обвалы, опускание (просадка) и перекосы земной поверхности, разжижение грунта, наводнения при разрушении и прорыве плотин и защитных дамб, а также пожары.
Землетрясения могут быть вызваны естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или (иногда) искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушение подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут быть обусловлены подъемом лавы при вулканических извержениях.
Землетрясения принадлежат к самым разрушительным природным силам. Самое могучее землетрясение может быть в десятки тысяч раз мощнее атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму в 1945 г.
Сильные землетрясения носят катастрофический характер, уступая по числу жертв только тайфунам и значительно опережая извержения вулканов. Большинство землетрясений длится лишь несколько секунд, но в отдельных случаях продолжительность подземных толчков превышает минуту. К примеру, землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско длилось всего 40 с (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Разрушения зданий под воздействием землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско
Для облегчения понимания сложных динамических процессов, происходящих при землетрясениях, приведем данные, характеризующие количественные показатели сейсмических воздействий на здания, сооружения и систему жизнеобеспечения в городах и населенных пунктах.
Наиболее частая причина землетрясения – чрезмерные внутренние напряжения и разрушения пород. Потенциальная энергия, накопленная при упругих деформациях породы, при разрушении (разломе) переходит в кинетическую, возбуждая сейсмические волны в грунте.
Место разрушения породы называют гипоцентром, или очагом землетрясения. В зависимости от глубины Н очага землетрясения подразделяют на нормальные (при глубине 0–70 км), промежуточные (70–300 км) и глубокофокусные (более 300 км).
Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром, а расстояние от эпицентра до некоторой точки земной поверхности – эпицентральным расстоянием R.
Интенсивность сейсмических воздействий на различные объекты зависит от гипоцентрального расстояния:
C увеличением расстояния С интенсивность уменьшается. Зону поверхности грунта в радиусе R < H считают эпицентральной. В ней преобладают колебания грунта вертикального направления. По мере удаления от эпицентра усиливается влияние горизонтальной компоненты колебаний, представляющей наибольшую опасность для зданий.
Классификация землетрясений по величине и мощности очага по Рихтеру ведется по шкале магнитуд (табл. 2.1). Для бытового представления характеристик землетрясений в технических источниках приводится схематизированная описательная шкала в варианте MSK– 64 (табл. 2.2).
Таблица 2.1
Шкала Рихтера, характеризующая величину землетрясений
Таблица 2.2
Схематизированная классификация землетрясений по шкале Рихтера в варианте MSK–64
Магнитуда землетрясения М – безразмерная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний, вызванных землетрясением, которая находится в пределах от 0,0 до 9,0.
Проявления землетрясений в тех или иных районах называют сейсмичностью.
Количественные показатели сейсмичности включают интенсивность, или магнитуду, и повторяемость, причем повторяемость (частота) снижается с увеличением магнитуды [9]. Магнитуда может быть определена через амплитуду Z , мкм, поверхностной волны и рас-m стояние R, км, до эпицентра землетрясения по формуле
Излучаемая в очаге землетрясения энергия Е, эрг, связана с магнитудой по формуле
где для сильных землетрясений а = 1,5; b = 11,8; для слабых – а = 1,8; b = 11.
Например, при землетрясении с М = 5,5 по шкале Рихтера Е = 1020 эрг.
Сильные землетрясения могут ощущаться на расстоянии тысячи километров и более. Так в асейсмичной Москве время от времени наблюдаются толчки интенсивностью до 3 баллов, служащие «эхом» катастрофических карпатских землетрясений в горах Вранча в Румынии; эти же землетрясения в близкой к Румынии Молдавии ощущаются как 7–8 – балльные.
Продолжительность землетрясений различна, часто число подземных толчков образует рой землетрясений, включающих предшествующие (форшоки) и последующие (афтешоки) толчки.
Интенсивность землетрясения (сейсмическая интенсивность, или балльность) характеризует силу землетрясения, которая зависит от расстояния, убывая от эпицентра к периферии.
Интенсивность сотрясений на конкретной площадке строительства по 12-балльной шкале может быть определена в зависимости от магнитуды землетрясения М, расстояния R до эпицентра, глубины очага Н, км, и региональных констант a3, b3 > c3 по формуле
причем для России константы имеют значения а3 = 3; b3 = 1,5; c3 = 3,5.
Сейсмический риск определяют с учетом сотрясений расчетной интенсивности от всех очагов вблизи площадки расположения объекта.
В нормах [10] расчетная сейсмичность фиксируется картой сейсмического районирования с указанными балльностями сотрясений.
Деление территории по степени потенциальной сейсмической опасности входит в задачу сейсмического районирования. Оно основано на использовании исторических данных (о повторяемости сейсмических событий, их силе) и инструментальных наблюдений за землетрясениями, геолого-географическом картировании и сведениях о движении земной коры.
Постоянные наблюдения за землетрясениями осуществляются сейсмической службой, в структуре которой функционирует сеть сейсмических станций, охватывающая весь земной шар. Создание такой сети станций начиналось в 1896 г. [11]. В 1915 г. таких станций было уже 60. Современная мировая сеть насчитывает более 2 000 стационарных сейсмических станций, данные которых систематически публикуются в сейсмологических бюллетенях и каталогах. Кроме стационарных станций используются экспедиционные сейсмографы, в том числе устанавливаемые на дне океанов. Экспедиционные сейсмографы засылались также на Луну, Марс и Венеру.
Изучением землетрясений занимается сейсмология. Волны, возникающие при землетрясениях, используются также для изучения внутреннего строения Земли, достижения в этой области послужили основой для развития методов сейсмической разведки. Наблюдения за землетрясениями ведутся с древнейших времен (начиная с I в. до н. э.). Во многих странах мира большое количество ученых проводят комплексные исследования по данной проблеме, однако до настоящего времени нет научно обоснованных достоверных методик по конкретному долгосрочному предсказанию места и времени будущих землетрясений.
2.2. Последствия землетрясений
Землетрясение можно рассматривать как многофакторное явление, оставляющее за собой многогранный след. И пока человечество не научилось предсказывать время и место возникновения землетрясения, оно не сможет эффективно им управлять и использовать энергетические ресурсы этого явления. В данной ситуации в памяти человечества откладываются лишь негативные проявления землетрясений. К ним следует отнести: природно-экологические, социально-экономические, природно-антропогенные.
Наиболее изучены и наглядно отражают сейсмическую опасность социально-экономические потери. За последние десятилетия учтенные экономические потери от землетрясений возросли на порядок и достигают около 200 млрд долл. за десятилетия. Если в предшествующее десятилетие в эпицентральной зоне, например, 8-балльного землетрясения средний убыток в расчете на одного жителя составлял 1,5 тыс. долл., то теперь он достигает более 30 тыс. долл. Естественно, что с повышением балльности (и магнитуды) возрастают площади пораженных территорий, а следовательно, и ущерб.
Число жертв землетрясений на земном шаре увеличивается. За последние 50 лет от них на Земле погибли 4,5 млн человек, т. е. ежегодно землетрясения уносят в среднем 9 тыс. человеческих жизней. Однако в период 1947–1976 гг. средние потери составляли 28 тыс. человек в год. С точки зрения как экологических, так и социальных последствий не менее важен и тот факт, что число раненых (включая тяжелораненых) обычно во много раз превышает число погибших, а число оставшихся бездомными превышает количество прямых жертв на порядок и более. Так, в зонах полного разрушения зданий (зоны 8 баллов и выше) количество жертв может составлять 1–20 %, а раненых – 30–80 %.
Воздействие сейсмических явлений на население включает как прямой социальный (гибель людей, их травматизм, потеря крова в условиях нарушения систем жизнедеятельности и т. п.), так и косвенный социальный ущерб, тяжесть которого зависит от размеров прямого и обусловлена резким на фоне материальных потерь изменением морально-психологической обстановки, спешным перемещением больших масс людей, нарушением социальных связей и социального статуса, сокращением трудоспособности и падением эффективности труда оставшихся в живых, частью отвлеченных от привычной индивидуальной и общественной деятельности. Сильное землетрясение, особенно в больших городах и в густонаселенных районах, неизбежно ведет к дезорганизации жизнедеятельности на тот или иной срок.
В рамках экологических проблем сильные землетрясения вызывают вторичные последствия. Из них отметим (на фоне повреждения и гибели ландшафтных и культурных памятников и нарушения среды обитания) возникновение эпидемий, рост заболеваемости и нарушение воспроизводства населения, сокращение пищевой базы (гибель запасов, потеря скота, вывод из строя или ухудшение качества сельскохозяйственных угодий), неблагоприятные изменения ландшафтных условий (например, оголение горных склонов, заваливание долин, гидрологические и гидрогеологические изменения), ухудшение качества атмосферного воздуха из-за туч поднятой пыли и появления аэрозольных частиц в результате пожаров, снижение качества воды, а также качества и емкости рекреационно-оздоровительных ресурсов.
Воздействие сильных землетрясений на природную среду (геологическую среду, ландшафтную оболочку) может быть весьма разнообразным и значительным, хотя в большинстве случаев ареал (зона) изменений не превышает 100–200 км.
Среди прямых, наиболее выразительных и значимых воздействий выделим следующие:
1) геологические, гидрологические и гидрогеологические, геофизические, геохимические, атмосферные, биологические;
2) природно-техногенные последствия, сказывающиеся на природной среде охваченного землетрясением района в результате нарушения (разрушения) искусственно созданных сооружений (объектов). Сюда можно отнести:
• пожары на объектах антропогенной среды, ведущие к экологическим последствиям;
• прорыв водохранилищ с образованием водяного вала ниже плотин;
• разрывы нефте-, газо- и водопроводов, разлитие нефтепродуктов, утечка газа и воды;
• выбросы вредных химических и радиоактивных веществ в окружающую среду вследствие повреждения производственных объектов, коммуникаций, хранилищ;
• нарушение надежности и безопасного функционирования военно-промышленных и военно-оборонительных систем, спровоцированные взрывы боеприпасов.
Приведенный список последствий землетрясений не полон, особенно в отношении отдаленных, часть из них нам еще неизвестна. Но и среди перечисленных некоторые не имеют пока достаточно определенных количественных характеристик и, соответственно, не могут быть оценены по степени опасности и объему причиняемого ущерба с необходимой полнотой и надежностью.
Лучше других известны геологические признаки, для которых в настоящее время можно привести количественные характеристики в соотношении с силой землетрясений. Представление о размерах очагов (в проекции на земную поверхность) для землетрясений различной силы дают табл. 2.3 и 2.4.
Размеры очагов землетрясений примерно определяют и ареалы разрушительных последствий. Эти ареалы могут охватывать площади в сотни и тысячи, а при самых сильных землетрясениях – в десятки тысяч квадратных километров.
Таблица 2.3
Размеры очагов землетрясений
Таблица 2.4
Зоны различной интенсивности сейсмических воздействий
Многочисленные и существенные нарушения ландшафтной среды (и, конечно, биосферы) не могут не повлечь за собой нарушений экологических условий на этих и прилегающих площадях. Наиболее значимые и легко выявляемые выражаются в уничтожении растительного покрова, местообитания животных (а подчас и их самих, равно как и людей), в нарушениях традиционных местообитаний и наземных миграционных путей, изменении водного режима, перераспределении водных запасов, ухудшении качества кормовых угодий и т. д.
Последствия сейсмического воздействия на здания и сооружения определяются, кроме интенсивности (балльности) землетрясения, типом здания, конструктивным решением и используемыми строительными материалами.
Анализ последствий землетрясений показывает, что здания различной конструкции получают следующие повреждения, если сейсмическое воздействие превышает расчетные (для зданий, запроектированных с учетом требований [9]) или здания не имели антисейсмических усилений.