Анализом влияния наледей на инженерные сооружения занимались различные исследователи. В [1] показано, что воздействие наледей снижает прочность инженерных сооружений и их несущую способность, также образование наледей и их активизация приводят к изменению геокриологических условий; предложена классификация наледей по морфологическим параметрам – объему, площади и мощности. В [2] рассмотрено влияние наледей и грунтовых вод на процесс формирования мерзлого массива в грунте и инженерные сооружения численными методами.
На основании практики многолетних изучений наледей, в разные годы проводившихся в районах Сибири и Дальнего Востока (в том числе Якутии и Амурской области) В.А. Алексеевым и Н.Ф. Савко [3–6], определено, что на величину формирующихся наледей и условия их развития главным образом влияют следующие климатические факторы: количество выпадающих атмосферных осадков в предшествующий наледеобразованию теплый период времени; температура зимнего воздуха, мощность снежного покрова. В соответствии с этим положением анализ межгодовой изменчивости в наших исследованиях приводится по данным факторам.
Наледи – слоистые ледяные массивы, возникающие при замерзании эпизодически выливающихся грунтовых или поверхностных вод. Наледи – это особо опасное гляциальное явление, негативное влияние которого представляется: а) непредвиденным затоплением территории в холодное время года; б) кристаллизацией воды и появлением термодинамического и статического давления льда; в) образованием ледяных барьеров и увеличением количества скользких дорог, тротуаров, грунтовых покрытий; г) развитием сопутствующих опасных процессов, таких как морозное растрескивание, криогенное волнение, термоэрозия, образование нагнетаемого льда, неравномерные осадки дневной поверхности и т.д.
Наледная опасность – это угроза жизни и здоровью человека, его экономической деятельности, работе инженерных сооружений, животному и растительному миру. Границы распространения наледной опасности обусловливаются многими факторами, включая деятельность человека. В некоторых случаях, например при сбросах бытовых и промышленных вод, строительстве дорог, плотин, застройке местности, развитие наледей вызывается намеренно. Иногда такие необдуманные мероприятия могут привести к большим стихийным бедствиям. Учет наледей и наледных процессов требуется на всех этапах бытового и инженерного освоения территории. Для этого применяют такие критерии оценки наледной опасности, как: время вероятного появления, возможность возникновения наледей в том или ином месте, длительность развития и разрушения ледяных массивов, их толщина, объем, площадь и особенности взаимодействия с хозяйственными объектами [5].
Рис. 1. Наледь на участке МГ «Сила Сибири»
Материалы и методы исследования
Наледи оказывают большой вред инженерным сооружениям, также они создают трудности при их использовании.
Факторы негативного влияния наледей: 1) закупорка льдом отверстий малых искусственных сооружений и затруднение пропуска весенних вод; 2) затопление проезжей части подходов к искусственным сооружениям и затруднение движения транспорта; 3) деформирование искусственных сооружений при образовании около них наледных бугров; 4) создание условий для размыва конусов и земляного полотна подходов, а также изменение конфигурации русла водотока при стоке весенних вод по образовавшемуся льду.
Главными условиями формирования и развития наледей являются: 1) мощность льда; 2) площадь льда; 3) источники наледеобразующих вод (надмерзлотные, подмерзлотные, русловой сток, несквозные талики, глубокий подмерзлотный сток, пластово-поровые воды таликов, ледоснеговые); 4) грунты (пески, супеси, суглинки, торф); 5) наличие наледных бугров; 6) расстояние от трубы до бугра; 7) долины рек (долины I–II–III порядка, верховья долин, горные долины).
Наледи можно классифицировать по: а) месту отложения; б) степени опасности; в) типу наледеобразующих вод; г) происхождению; д) размерам; е) длительности существования [7].
Влияние наледей отрицательно сказывается на безопасности и работоспособности магистральных трубопроводных систем, вызывает необходимость повышенных требований к материалам, конструкциям, технологиям прокладки; они отрицательно воздействуют на экологическую обстановку региона в случае возникновения аварийных ситуаций.
По степени опасности для функционирования технических сооружений наледи были классифицированы на следующие виды: слабые; средние; опасные; сильно опасные; катастрофические.
В данной работе рассматривается влияние наледной опасности на участки прохождения трубопровода и производится их ранжирование по степени опасности с использованием экспертного анализа и нечеткой логики. Предложенная модель выполняется в среде Fuzzy Logic MATLAB с применением алгоритма Мамдани. Результаты показывают, что предлагаемая модель может быть использована как инструмент анализа определения степени наледной опасности на различных участках трубопровода.
Результаты исследования и их обсуждение
Для схемы нечеткого вывода в данной работе мы используем метод Мамдани. Методом активации будет MIN. Далее определим методы агрегирования подусловий. Для метода агрегирования используем операцию min-конъюнкции, в качестве логической связки для подусловий применяется только нечеткая конъюнкция (операция «И»), для метода дефаззификации – метод центра тяжести, для аккумуляции заключений правил – метод mах-дизъюнкции [8].
Нечеткая модель (наледи) разрабатывалась при помощи среды MATLAB. Для этого в редакторе FIS были определены семь входных переменных: «площадь льда», «мощность льда», «источники», «грунты», «наличие наледных бугров», «расстояние от трубы до бугра», «долины рек» и одна выходная: «степень опасности». Графический интерфейс редактора FIS представлен на рис. 2.
Рис. 2. Графический интерфейс редактора FIS
Предложенную модель выполним в среде Fuzzy Logic MATLAB, используя алгоритм Мамдани. По умолчанию оставим параметры данной разрабатываемой нечеткой модели. Для метода агрегирования (max), метода импликации (min), логических операций (min для нечеткоrо логического И и max для ИЛИ) и для метода дефаззификации выберем метод центра тяжести [8–10].
Затем для каждой входной лингвистической переменной и одной выходной переменной системы нечеткого вывода определим функции принадлежности термов. Для этой цели воспользуемся редактором функций принадлежности среды Fuzzy Logic MATLAB. На рис. 3 представлен интерфейс редактора функций принадлежности для входной лингвистической переменной «грунты».
Рис. 3. Функции принадлежности лингвистической переменной «грунты»
Влияние наледной опасности на трубопровод оценивалась по шкале от 0 до 5 баллов. В качестве примера рассмотрим участок на р. Аччыгый Лэглэгэр. В результате дефаззификации при рассмотрении примера получим, что при следующих значениях факторов: мощность наледи 2,6 м; вид грунта супесь; расстояние от трубы до бугра <50 м; площадь наледи 129 482,3 м2; наледные бугры есть; долины 1–2-го порядка; источники (подмерзлотные воды) – значение наледной опасности будет равно 4,28. Для другого примера возьмем участок на р. Эргэ: мощность наледи 0,95 м; вид грунта слабозаторфованная супесь; расстояние от трубы до бугра >50 м; площадь наледи 6063,158 м2; наледные бугры есть; долины 1–2-го порядка; источники (глубокий подмерзлотный сток) – значение наледной опасности будет равно 2,5. Визуализация нечеткого вывода приведена на рис. 4.
Рис. 4. Визуализация нечеткого вывода
На основании справочных и научно-методических материалов, а также данных, полученных из анализа опроса экспертов, была сформирована база правил. На основе экспертного анализа определены основные факторы, влияющие на процесс наледеобразования, оценена степень воздействия наледей на работоспособность магистрального трубопровода с использованием методов нечеткой логики и сформированных правил нечеткого вывода. Данный подход позволяет определить опасные участки для проведения предупреждающих мероприятий по уменьшению риска появления чрезвычайных ситуаций. Нечеткая модель была выполнена с применением алгебры нечетких множеств, нечеткой логики и базы правил на этапе нечеткого вывода каждой входной лингвистической переменной, полученной в процессе фаззификации.
С использованием данного подхода были рассмотрены влияния наледной опасности на участки магистрального трубопровода (таблица).
Исходные данные участков МГ с развитием процессов наледеобразования и оценка степени интенсивности воздействия на элементы МГ
|
Участок |
Порядок долины |
Источники |
Мощность наледи, м |
Наледные бугры |
Расстояние от трубы до бугра, м |
Площадь наледи, м2 |
Грунты |
|
Аччыгый Лэглэгэр |
1–2 |
5-6 (PM) |
2,6 |
есть |
<50 |
129482,3 |
Супесь |
|
Улахан Лэглэгэр |
1–2 |
3-4 (NT) |
1,3 |
есть |
<50 |
74769,23 |
Песок с примесью торфа |
|
Тит |
1 |
3-4 (NT) |
0,75 |
есть |
<50 |
15600 |
Супесь |
|
Эргэ |
1–2 |
2-3 (GPS) |
0,95 |
есть |
>50 |
6063,158 |
Слабозаторфованная супесь |
|
Л. Бурухинский |
1–2 |
3-4 (NT) |
1 |
нет |
– |
10650 |
Супесь |
Появление факторов наледеобразования при строительстве магистральных трубопроводов наиболее вероятно при:
а) пересечении склонов, многолетнемерзлых грунтов при расчистке просеки;
б) наличии на склонах большого количества ручьев и заболоченности;
в) недостаточном количестве водопропускных сооружений;
г) прокладке трубопроводных систем ниже глубины сезонного оттаивания;
д) нарушении стока грунтовых вод и т.п.
Техногенными факторами наледеобразования часто являются искусственные сооружения, если они затрудняют пропуск воды, особенно при скоплении в них шуги [11, 12].
Заключение
На основании литературно-справочных данных и экспертного опроса, с использованием данных из БД геотехнического мониторинга были определены основные факторы, влияющие на процесс наледеобразования, и сформулированы критерии оценки опасности участка МТ при интенсивном воздействии наледей на инженерные сооружения. С применением полученных критериев опасности были сформированы правила нечеткого вывода. Данный подход оценки влияния процесса наледеобразования на участках трубопровода помогает оценить степень влияния наледеобразования на элементы магистрального газопровода с целью проведения предупреждающих мероприятий по уменьшению источников риска на разных участках. Безопасность магистральных трубопроводов определяется наличием современных методов диагностики состояния трубопроводных конструкций в условиях меняющегося рельефа и методами оценки его влияния на работоспособность конструкций.
Работа выполнена при поддержке программы НИР № АААА-А17-117040610321-2.