ИГ подходы к анализу природных условий при проектировании транспортных артерий

Транспортные артерии — это линейные сооружения, связывающие отдельные территории и хозяйственные объекты между собой. Их примерами являются авто- и железные дороги, линии электропередач (ЛЭП) и трубопроводы, каналы, дрены и коллекторная сеть. Если при проектировании каналов и коллекторной сети их приспосабливают к долинам и другим вытянутым депрессиям рельефа, то дороги, трубопроводы и ЛЭП проходят по территориям с разным рельефом, секут его. Оптимизация проектов транспортных артерий базируется на учете технических требований к природным условиям и стоимости строительства и эксплуатации трасс и транспортных средств. Так железнодорожный и автотранспорт требуют для безопасной эксплуатации разных ограниченной по уклонам и радиусам поворотов их трасс. В условиях пересеченного рельефа это существенно удорожает строительство, удлиняет трассы, создает дополнительные трудности при их строительстве и эксплуатации. Поэтому обычно проводится многофакторный ИГ анализ транспортных коридоров на вариантной основе. Оценка каждого варианта дороги базируется на следующих критериях: выбор кратчайшего пути между связываемыми ею территориями или хозяйственными объектами, экономичностью строительства и эксплуатации. Последние два критерия в условиях пересеченного рельефа часто противоречат первому и наоборот. Это обусловлено с тем, что удешевление строительства определяется максимальным совпадением допустимых уклонов дороги с естественными уклонами местности, минимальным пересечением оврагов, долин рек, озер, болот, поднятий и т.д. Кроме того, приходится избегать участков с интенсивно текущими природными и природно-антропогенными неблагоприятными процессами, осложняющими строительство и эксплуатацию дорог (заносы рыхлым и обломочным материалом, снегом, затопление, пучение и др.). Последнее время большое внимание при проектировании транспортных магистралей уделяется экологическим факторам, связанным с загрязнением и шумом на прилегающих территориях, а также расчленением ландшафтов.

Примерный план содержания“Геоэкологического обоснования проектов строительства транспортных магистралей”, может выглядеть следующим образом:

Введение. (Цель, значимость, направления).

1. Экономико-технологическая оптимизация строительства и эксплуатация объектов, минимизация их стоимости: а) по протяженности; б) по стоимости строительства, связанной с его удорожанием из-за сложных и опасных природных условий (заболоченность, лавины, отвалы, сели, просадки грунтов, расчлененность территории, катастрофические наводнения, затопления, ветры и т.д.); в) по вариантам проложения (наземный, подземный), количеству мостовых и других переходов; г) по стоимости эксплуатации.

2. ИГ обоснование экологической безопасности строительства и эксплуатации (оценка воздействия на окружающую среду - ОВОС):

а) вариантный анализ маршрутов трассы, технологий строительства и эксплуатации сооружений, влияющих на ОС;

б) фоновые физико-географические условия по маршрутам магистралей (природные районы, рельеф, климат, ландшафты и т.д.);

в) анализ ландшафтных особенностей распространения и интенсивности проявления опасных природных процессов и явлений, ограничивающих и удорожающих строительство, способных привести к технологическим и экологическим авариям и катастрофам.

г) хозяйственная освоенность территории, влияющая на экологическую ситуацию в регионах, и возможные экономические ущербы от строительства.

д) современные ландшафтные особенности территорий вдоль маршрутов трассы и экологическая ситуация;

е) анализ технологических особенностей воздействия на ландшафты при строительстве магистралей (механические, энергетические, химические и т.д.).

ж) экологическая оценка последствий этих воздействий в ландшафтах и хозястве прилегающих к магистрали территорий;

з) анализ технологических особенностей взаимодействия природных комплексов и технических объектов в процессе нормальной эксплуатации сооружений;

и) анализ и экооценка последствий эксплуатационных воздействий на ландшафты и хозяйственную деятельность;

к) анализ и оценка экологических последствий при различных авариях на авто- и железнодорожном транспорте, трубопроводах.

3. Разработка мероприятий, снижающих риск и неблагоприятность экологических последствий в природе и хозяйстве.

4. Разработка рекомендаций по эколого-экономической оптимизации хозяйственной деятельности на территориях, прилегающих к магистралям.

5. Экономическая оценка затрат на предотвращение неблагоприятных экологических последствий строительства и эксплуатации объекта с анализом их возможной минимизации.

Заключение: выводы об экологической допустимости и экономической целесообразности строительства, его наиболее приемлемые варианты.

Однако для конкретных видов транспортных артерий и разных регионов содержание разделов и подразделов геоэкологических обоснований проектов могут существенно различаться.

Особое внимание при проектировании линейных транспортных сооружений уделяется мостовым и другим переходам через водные артерии. Дело в том, что при пересечении водных преград, помимо выбора самого места перехода и удобного подхода к нему, необходимо выявить предельно возможные границы размыва берегов и активизации склоновых процессов в результате инженерных нарушений их естественного состояния. Так при пересечении транспортными магистралями рек имеет место концентрация стока дождевых и талых вод по кюветам и эрозионным бороздам при нарушенном почвенно-растительном покрове. Быстро развивающиеся овраги в бортах террас могут угрожать устойчивости инженерных сооружений. Кроме того, установка опор в реке и прокладка по дну трубопровода сильно изменяет русловые процессы. В результате возможно переформирование русла, изменение границ размыва берегов и повреждение инженерных сооружений. Соответственно резко возрастает стоимость защитных сооружений и объемы земляных работ. Кроме того в процессе и после завершения строительства возможно разрушение естественных нерестилищ ценных проходных рыб (осетровых, лосося и др.)

Инженерная подготовка трассы транспортной магистрали включает расчистку и планировку (срезание бугров и подсыпку в депрессии рыхлого материала). В результате уничтожается и почвенно-растительный покров вдоль всей трассы, изменяется поверхностных сток, активизируется эрозия, оползни, развиваются овраги. В районах в многолетнемерзлыми грунтами резче проявляются криогенные явления (термокарст, пучение, наледи, глубина протаивания и промерзания, солифлюкция, термоэрозия и др.). Так средняя глубина протаивания суглинистых грунтов под растительным покровом и при его нарушении изменяется в 1,5-3 раза (табл. 4.1.). При этом просадка грунтов увеличивается в 2-4 раза, что резко негативно сказывается на устойчивости инженерных сооружений.

В аридных районах уничтожение растительности вдоль трассы строящихся дорог ведет к резкой активизации развеивания и перевеивания мелкозема. В частности, могут приходить в движение ранее закрепленные пески. Для предотвращения засыпания дорог перевеиваемым мелкоземом и снегом их полотну придают выпуклую форму и слегка приподнимают над остальной поверхностью. Кроме того, в безлесных районах на открытых ветренных участках возможно выдувание мелкозема из под опор, полотна и обнажение фундаментов. Поэтому с наветренной стороны или с двух сторон вдоль трасс проектируют защитные экраны из растительности или щитов.

Обычно до начала строительства транспортных и других инженерных сооружений, а также на начальном этапе освоения территорий проводятся изыскательские работы в условиях слабо развитой дорожной сети. Кроме того начало строительства связанно с земляными работами и доставкой строительных материалов. Для этого в условиях бездорожья используется большое количество тяжелых автомобилей и гусеничного транспорта. Поэтому перед началом проектных и инженерно-строительных изысканий проводятся исследования и оценка территорий по условиям проходимости транспорта (табл. 4.2.). При углубленных исследованиях условий проходимости анализируется рельеф, почво-грунты, их засоленность, заболоченность, залесенность территории, плотность дернины, климатические особенности сезонов и другие характеристики ландшафтов.

Таблица 4.2.

Классификация условий проходимости территорий

Условия про-хо­димости	Характеристики районов и условий
Хорошие	Степные и лесостепные районы. Долины равнинных рек. Дорожная сеть хорошо развита. Передвижение автомо­бильного транспорта возможно повсюду
Удовлетвори­тельные	Всхолмленные и горные районы с относительными пре­вышениями до 500 м. Залесенные равнинные районы. Дорожная сеть развита слабо. Передвижение автомо­бильного транспорта возможно местами. Основные виды транспорта — гусеничный, гужевой
Плохие	Горные районы с относительными превышениями более 500 м без ледников и труднодоступных скалистых греб­ней. Труднопроходимые таежные, тундровые или забо­лоченные районы. Пустыни с полузакрепленными и сы­пучими песками. Основной вид транспорта для передви­жения по району — вьючный, местами автомобильный и гусеничный

Автодороги. Стоимость и безопасность строительства и эксплуатеции автодорог сильно зависят от природных и хозяйственных факторов и условий. Их учитывают при проектировании исходя из соответвующих строительных норм и правил, справочников, научно- учебных пособий и практических наработок (Васильев, 1986; Виноградский, 1989; Инженерные изыскания, 1982; Звонкова, 1970, Симонов и Кружалин, 1990 и др.). От назначения, класса, покрытия и других характеристик автодорог, зависят безопасность и экономичность использующих их автотранспортных средств. По ширине полос движения, их количеству и типу покрытия выделяют пять классов автомобильныз дорог. В соответствии с классом дорог определяется и максимально допустимая скорость движения по ним автотранспорта (табл. 4.3.). Качество автодорог, их покрытия сильно влияют на срок службы и состояние автомашин.

Таблица 4.3.

Некоторые технические характеристики автомобильных дорог разного класса.

Технические характеристики		Классы		дорог
дорог		П	Ш	1У	У
Количество полос движения
Ширина полос движения (м)	3,5	3,5	3,5	3,0	2,75
Ширина проезжей части (м)					5,5
Ширина земляного полотна, не менее (м)					9,5
Допустимый продольный уклон, %

В свою очередь состояние дорожного покрытия и дороги в целом зависит как от интенсивности движения и типа транспорта, так и от комплекса природных факторов (климатических, слагающих грунтов, рельефа, увлажненности, растительности и др.). От них же зависит стоимость строительства и эксплуатации автодорог, определяемая объемами земляных работ, характером и частотой ремонтных работ. Так расчлененный рельеф, большие уклоны местности, а также слабые грунты увеличивают объемы земляных работ, связанных с выравниванием (планировкой) трассы автодороги, строительством мостов, насыпей и выемок, уменьшающих предельные уклоны и повышающих устойчивость полотна дороги. Частые и большие уклоны снижают скорость движения автотранспорта, увеличивают расход горючего и загазованность трассы. Кроме того это ведет к более сильной и быстрой деформации и разрушению полотна дорожного покрытия, эрозии обочин и откосов, насыпей и выемок. На участках с большими уклонами снижается обзор дороги водителем, что увеличивает опасность движения. На шоссейных дорогах участки с уклонами > 9⁰ должны быть небольшой протяженности. Аналогичная ситуация и на участках автодорог с частыми и крутыми (с малым радиусом) поворотами. Повороты обычно связаны со стремлением проектантов обойти сложные для строительства участки территории (болота, долины рек, крутые склоны, овраги и т.д.). На крутых склонах приходится прокладывать дороги в виде серпантина, а это удлиняя, усложняет их эксплуатацию.

Для дорог разного класса радиусы их допустимых поворотов различны. Они определяются допустимой скоростью движния и видимостью. Так для существующих в России автомагистралей максимально допустимая правилами скорость движения 110 км/час, на других шоссейных дорогах от 90 до 70 км/час. Соответственно меняются и радиусы допустимых изгибов трассы.

В зависимости от того, по каким элементам рельефа проходят участки автодорог, выделяют дороги водораздельные, долинные, косогорные (на склонах) и секущие долины и водоразделы. Для каждого из таких участков дорог будут характерны свои специфические условия строительства и виды природных процессов, влияющих на их эксплуатацию. Так для участков дорог, проходящих по водоразделам, характерным является сильное ветровое воздействие как на сами автодороги, так и условия их эксплуатации (табл. 3.13.; 4.4.). Для “косогорных” автодорог неблагоприятными факторами могут быть большие уклоны, занос полотна дороги рыхлым материалом с верхней части склона, повышенная опасность эрозии и размывов, оползание грунта. Дороги, проходящие по днищам долин с большей вероятностью подвергаются затоплению и подтоплению. Для них характерны процессы деформации полотна, связанные с переувлажнением, а в северных районах и пучением грунта. В зимний период возможны снежные заносы и завалы. Для секущих водоразделы и долины участков дорог типичны деформации полотна и насыпи, связанные со склоновыми процессами (оплываем грунта, оползнями, эрозией и т.д.).

Таблица 4.4.

Шкала опасности воздействия ветров и других метеофакторов на автотранспорт при разных скоростях его движения

Метеорол-огический фактор	Степень опасности	Интенсивность метеофакторов для скоростей движения (км/час)
Ветер	МО	< 10	< 15	< 20	< 30
м/сек	О	10 - 15	15 - 20	20 - 30	> 30
	ОО	> 15	> 20	> 30	> 30
Метель	МО	0 - 3	0 - 3	0 - 3	0 - 3
м/сек	О	3 - 9	3 - 9	3 - 9	3 - 9
	ОО	> 9	> 9	> 9	> 9
Снегопад	МО	—	< 0,1	< 1,5	< 1,5
м/сек	О	< 0,1	0,1 - 1,0	0,15 - 1,5	1,5 - 2,5
	ОО	> 0,1	> 0,1	> 0,15	> 2,5

МО - малоопасные; О - опасные; ОО - очень опасные.

Специфические процессы, сказывающиеся на строительстве, устойчивости и эксплуатации автодорог, типичны и для разных природных зон и подзон. Так в северных тундровых и таежных районах наиболее неблагоприятными процессами для автодорог являются переувлажнение грунтов, мерзлотное пучение и просадки, наледи, снежные заносы и связанные с ними неблагоприятные процессы и явления. В осенне-весенний и зимний периоды активное действие будут оказывать процессы физического выветривания и разрушение полотна дороги, обусловленное замерзанием и оттаиванием воды в микро- и макротрещинах. Кроме того во влажные периоды активнее идут деформации переувлажненной насыпи и ее основания, что также разрушает полотно дороги

Для аридных районов ярко выраженными негативными ИГ факторами являются засоленные грунты и активная ветровая деятельность. Здесь активнее идет и процесс физического выветривания, обусловленный большими суточными амплитудами температур. Сильное нагревание асфальтового покрытия автомобильных дорог в летний период, особенно на склонах солнечной экспозии, ведет к его деформации и последующему активному разрушению колесами автотранспорта и природными процессами.

Очень неблагоприятное влияние на состояние и устойчивость полотна автодороги оказывает близкое к поверхности залегание грунтовых вод, выходы на поверхность подземных вод, а также застаивание поверхностных вод. Застаивание поверхностных вод может иметь место на плоских плохо дренируемых междуречьях и в понижениях рельефа, а также в ложбинах стока, перегороженных полотном дороги. Подтапливаемые участки трасс часто приурочены к депрессиям рельефа, а также к основаниям склонов водоразделов.

Сильное влияние на строительство и состояние автодорог оказывает литологический состав поверхностных отложений. В частности, полотно шосейных и грунтовых дорог, проложенных по территории с сухим песчанным грунтом более устойчиво и долговечно по сравнению с полотном дороги, проложенной по глинистым (особенно сильно набухающим) или торфянистым грунтам. На границе смены литологических комплексов происходит резкая смена несущей способности грунтов, что сказывается на состоянии полотна дороги. ИГ исследования позволяют индицировать смены литологии грунтов по изменениям в ландшафтах.

Уплотнение грунта при прокладке автодорог может отрицательно сказаться на условиях поверхностного и подземного стока вод, что в качестве обратной связи может вызвать деформации и более быстрое разрушение полотна дороги. Прокладка дороги по склонам без их специального закрепления часто сопровождается активизацией эрозии.

При геоэкологическом обосновании проектов трасс автодорог анализируются также площади и ценность изымаемых под них земель, площадь и степень повреждения или уничтожения почвенного покрова и растительности, а также нарушения в миграции животных. Кроме того, при проектировании крупных шоссейных дорог с интенсивным движением автотранспорта прогнозируют зоны загрязнения прилегающих территорий и их возможное воздействие на особо ценные природные и исторические объекты (заповедники, заказники, памятники истории и культуры, редкие виды животных и растений). Для автодорог со средне интенсивным движением ширина полосы хорошо выраженного загрязнения в среднем колеблется около 20 - 25 м., в зависимости от наличия и типа растительных и других барьеров. До 50 - 100 м прослеживается зона слабого геохимического воздействия. Вдоль автомагистралей с очень интенсивным движением, например, Ленинградское шоссе или МКАД, зона сильного воздействия с хорошо выраженными повреждениями растений, имеет ширину до 100 м, а среднего и слабого геохимического влияния — до 200 - 250 м.

Важным элементом ИГ исследований является также разработка типовых и уникальных природо- и дорогозащитных мероприятий, привязанных к конкретным ландшафтным комплексам. Поэтому при проектировании, строительстве и реконструкции автодорог следует проводить районирование территорий по неблагоприятным факторам их эксплуатации и допустимым скоростям движения автотранспорта.

Железные дороги. При проектировании трасс железных дорог большое значение имеют нормативно-технологические требования к рельефу, обусловленные мощностью локомотивов и прочего подвижного состава. То есть, их способностью преодолевать те или иные уклоны местности и вписываться в определенные радиусы кривизны железнодорожного полотна. Эти и другие факторы сильно сказываются на стоимости строительства и эксплуатации железных дорог, а также их безопасности.

Предельные уклоны полотна определяется весом поездов и силой тяги локомотивов. При нормальной колее для большегрузных поездов, уклоны более 1,2 % создают сложности эксплуатации железной дороги, поэтому недопустимы. Для местных узкоколеек с колеей 1 м допускаются продольные уклоны до 4 %. Допустимые радиусы кривизны железной дороги в горизонтальной плоскости в России составляют 600 м, а для железных дорог местного значения он может быть снижен до 200 м.

В соответствии со строительными нормативами при проектировании железных дорог их трассы, в зависимости от уклонов местности и степени расчлененности рельефа, делят на 4 категории сложности (табл. 4.5).

Таблица 4.5.

Категории сложности рельефа для железнодорожного

транспорта

Природные факторы (условия) могут существенно удорожать строительство и эксплуатацию дорог из-за повышенных объемов земляных работ, удлинения трассы, более частого их ремонта, больших расходов энергии, снижения скорости движения поездов. К таким неблагоприятным факторам относятся сильная расчлененность рельефа и большие уклоны, активные опасные рельефообразующие и другие процессы (тектоника, карст, суффозия, просадки, оползни и др.), состав грунтов, увлажненность территории, мерзлотные и климатические условия, влияющие на сохранность и состояние железнодорожного полотна. Сложные природные условия требуют прежде всего больших земляных работ при планировании (выравнивании) трассы и создании устойчивой насыпи, а также строительства дополнительных защитных сооружений. Особо сложные по природным условиям строительства участки приходится обходить, что увеличивает длину железных дорог и усложняет их эксплуатацию.

Исходя из нормативно-технологических показателей оцениваются степень пригодности территорий, варианты трасс и стоимость строительства железных дорог. Для снижения неблагоприятных инженерно-технических и экологических последствий строительства и эксплуатации железных дорог при их проектировании разрабатываются типовые ландшафтно- технологически обусловленные природо- и дорогозащитные мероприятия и сооружения (водопропускные, противомерзлотные, противооползневые, против заносов и размыва и др.).

Линии энергопередач. К линиям энергопередач относятся линии электропередач (ЛЭП), нефте- и газопроводы. Ведущим принципом при проектировании их трасс является кратчайшее растояние между объектом (месторождением, ТЭС) или регионом донором и объектами потребителями (крупные предприятия, регионы). Фактор расстояния (длины линий энергопередач) в значительной степени определяет общую стоимость строительства.

При их проектировании также используются типовые технические нормативы строительства и, соответственно, требования к природным условиям вдоль трассы. Отклонение природных условий от природно-технических норм ведет к удорожанию строительства, снижает их долговечность и надежность эксплуатации. В частности, повышенные уклоны и расчлененность земной поверхности влияют на длину и стоимость строительства линий энергопередач. Например, прирост длины линии энергопередач, а следовательно и количество их опор, строительство которых тоже требует затрат, можно определить по формуле:

dL = (1 - cos a). 100% / cos a

где dL - прирост длины в %, а - угол наклона местности

Для надземных магистральных трубопроводов из-за изрезанности рельефа, пересечения других транспортных магистралей, огибания селитебных и промышленных зон все расстояния при проектировании, особенно в освоенных районах, следует брать с коэффициентом 2.

Большое значение для экономичности эксплуатации и строительства линий энергопередач имеют метеорологические условия территории, литология слагающих ее грунтов, увлажнение, характер заболоченности и мерзлота. Кроме того, экологические, ресурсные и хозяйственные составляющие строительства таких линейных объектов связаны с изъятием земель, возникновением границ, затрудняющих миграции животных, а порой и хозяйственные связи прилегающих территорий, активизацией неблагоприятных природных процессов и явлений (эрозия, подтопление и заболачивание территорий, термокарст, пучение). При разрывах трубопроводов и других авариях возможны загрязнения почв и водоемов и др.). Для снижения неблагоприятных экологических последствий при строительстве линий энергопередач на особо опасных участках организуются наблюдательные посты, природо- и объектозащитные мероприятия и сооружения. Геоэкологическое обоснование и разделы ОВОС являются важными составляющими проектов их строительства.