Перспективы прогнозирования техногенных катастроф

Cтатья написана по заказу журнала Жизнь и Безопасность

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
ноябрь 2009, Санкт-Петербург

      Ежегодные потери от техногенных катастроф в Мире выросли с 60 миллиардов долларов в год в 60-х годах ХХ века до 700 миллиардов долларов к началу XXI века. Более чем 10-кратный рост потерь за полвека! В результате, во всех странах ежегодно проводятся конференции по проблемам техногенных катастроф, опережающими темпами растет финансирование служб, подобных нашему МЧС... Но что-то ни разу я не слышал, чтобы велись серьезные поиски причин столь стремительного роста аварий.
     Дело в том, что разрушаются в большинстве случаев самые, казалось бы, надежные сооружения, возведенные с многократным запасом прочности. Фундаменты разного рода турбин, насосных станций, при строительстве которых используются самые высокопрочные бетоны, многометровые сваи. А вместе с тем, причина могла быть выяснена еще в конце 70-х ХХ века...
     В 1977 году был обнаружен новый тип колебательных систем. Как потом выяснилось, роль этих колебательных систем могут выполнять очень многие объекты, но первоначально они были выявлены в виде плоскопараллельных породных слоев, залегающих в земной толще [1].
     Так сложилось, что теория колебательных систем, сформировавшись до серьезного уровня в электротехнике и электродинамике, в акустике твердых сред и в сейсморазведке, как основной ее ветви, осталась практически на нуле. Зрелая теория обычно характеризуется тесным взаимодействием с практикой, с экспериментом. И наоборот, чем ниже уровень теории, тем слабее ее опора на эксперимент и тем мощнее математический аппарат, описывающий ее.
     Дело в том, что в электротехнике буквально сразу после обнаружения гальванического электричества появились датчики тока и напряжения (амперметры и вольтметры), а также аппаратура типа осциллографа, позволяющая визуализировать электромагнитное поле. В результате, не составляет труда осуществить метрологически корректное определение таких субстанций как мощность, энергия, разного рода фазовые соотношения... Досконально и однозначно изученная физика электрических контуров (а также эквивалентных им устройств) позволяет навскидку, буквально в уме определять все их параметры с помощью простейших соотношений. Да и само определение того, что такое колебательная система, в электротехнике элементарно просто и не допускает неоднозначного толкования.
     Согласно такому определению, колебательная система - это устройство, которое обладает механизмом, преобразующим импульсное воздействие в гармонический (синусоидальный) затухающий отклик.
     Ничего подобного в акустике нет и быть не может, поскольку датчиков какого бы то ни было параметра поля упругих колебаний просто не существует. Как результат такого положения дел, все положения сейсморазведки имеют мысленное происхождение, и ни одно из них не может быть определено в эксперименте. Зато математический аппарат, как считают сами сейсморазведчики, близок к совершенству. Но поскольку ни один аргумент уравнений, используемых в сейсморазведке, не может быть определен в эксперименте, то практическая ценность этой математики равна нулю.
     Понятно, что и определения в такой области всегда весьма размыты и неоднозначны. Так, один и тот же специалист, в зависимости от требования момента, может без труда доказать, что плоскопараллельная структура в принципе не может обладать свойствами резонатора (то есть, являться колебательной системой), и поэтому земная толща представляет собой совокупность границ, отражающих поле упругих колебаний, но уж никак не совокупность колебательных систем. Одновременно с этим, этот же специалист с таким же правом может заявить, что практически все объекты вокруг нас (а также и внутри нас, как например почки, печень etc) являются резонаторами.
     Столь длительное вступление было необходимо в связи со следующим. Экспериментальное доказательство того, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой именно совокупность колебательных систем, было предъявлено более 30 лет назад. На основании этого весьма успешно существует альтернативная, спектральная сейсморазведка, позволяющая решать задачи, к которым даже близко никогда не подходили. И вместе с тем, то, что называют научным сообществом, спектрально-сейсморазведочное направление и по сей день воспринимают как услышанное первый раз в жизни.
     Такое отношение к работоспособному научному направлению, способному существенно сократить потери от техногенных катастроф, приводит к колоссальным издержкам. Если бы отношение было другим, рост потерь от техногенных катастроф, с сообщения о котором начата эта статья, мог быть остановлен уже к началу XXI века. Но обратимся к физике.
     Земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. В простейшем случае, роль колебательных систем выполняют плоскопараллельные геологические структуры. Основными параметрами колебательной системы являются ее собственная частота f₀ и добротность Q. Добротность однозначно связана со скоростью спада амплитуды гармонического затухающего процесса, возникающего при ударном воздействии на колебательную систему. Чем выше эта скорость, тем ниже добротность колебательной системы (или самого сигнала, что одно и то же).
     Плоскопараллельная структура толщиной (мощностью - геол. термин) h, имеет собственную частоту f₀, которую можно определить следующим образом:

f₀ = k / h,               (1)

где k - некий (в пределах этой статьи) коэффициент с размерностью скорости, величина которого с погрешностью, не превышающей 10% составляет для всех горных пород 2500м/с.
     Наше существование на Земле как на совокупности колебательных систем начинает существенно отличаться от привычных нам условий - существования на земной тверди, как только инженерные сооружения начинают воздействовать на земную толщу не только своим весом, но и вибрацией. Иными словами, когда в нагрузке на грунт появляется динамическая компонента.
     При установке на грунт инженерного сооружения, в условиях наличия в земной толще колебательных систем, возможно случайное совпадение его частоты вибрации с одной из собственных частот находящихся в земле колебательных систем. То есть, возможно возникновение резонансного явления. Здесь для нас будет полезным другое определение колебательной системы, а именно, как устройства, которое на резонансе (то есть, при совпадении собственной частоты колебательной системы с частотой возбуждающей ее вибрации) увеличивает амплитуду колебаний вибратора в Q раз.
     Представления о резонансе в строительном деле ограничены случаем разрушения моста под воздействием идущего в шаг воинского подразделения. Что же касается остальных сооружений, то о резонансе не могло быть и речи, так как чтобы был резонанс, должна быть колебательная система, амплитуда колебаний которой будет увеличиваться под воздействием вибрирующих установок. А поскольку в земной толще никогда не предполагалось наличие колебательных систем, то и о резонансе говорить было нельзя.
     Диапазон значений добротности известных колебательных систем очень широк. Для сравнения, скажем, что добротность камертона достигает 10⁴÷10⁵; для LC колебательных контуров среднее значение добротности составляет 100÷200. Примерно такой же величины может достигать добротность колебательных систем, залегающих в земной толще.
     При небольших значениях добротности резонанс будет низкодобротным, и следствием его будет увеличение вибрации устройств, оказывающих на грунт динамическое (вибрационное) воздействие. Увеличение вибрации приводит к ускорению разрушения фундаментов вибрирующих устройств и машинных залов в целом. Это хорошо видно по состоянию машинных залов практически всех электростанций. Но к внезапной аварийной ситуации низкодобротный резонанс не приводит.
     Давно замечено, что прекрасно отбалансированные на заводах-изготовителях устройства типа турбин, при установке на объекте, где они эксплуатируются, обязательно на некоторых скоростях вращения дают повышенную вибрацию. Этой проблемой озабочены величайшие умы в области гидротехники. Однако единственно, что придумано по этому поводу, это создана аппаратура, которая позволяет при первом же запуске и разгоне турбины выявить те значения скоростей вращения, на которых возникает повышенная вибрация. Так появляются запрещенные скорости вращения.
     При высоких значениях добротности колебательных систем, залегающих в земной толще, картина радикально изменяется. При вхождении в режим резонанса начинается плавное, от периода к периоду возрастание амплитуды вибрации. Это можно сравнить с процессом раскачивания качелей. Если значение добротности таково, что Q-кратное возрастание амплитуды вибрации превышает предел упругих деформаций грунта либо материала фундамента, либо устройств крепления турбины к фундаменту, то разрушение произойдет еще до достижения максимальной вибрации.
     В условиях высокодобротного резонанса режим постоянного резонанса невозможен, поскольку разрушение возникает еще до достижения максимальной амплитуды вибрации. Поэтому разрушения вибрирующих механизмов возникают при изменениях режима их работы. Например, при изменении скорости оборотов генератора (как это имело место при аварии ЧАЭС и Саяно-Шушенской ГЭС) и приближении частоты оборотов к частоте высокодобротного резонанса, либо при возникновении вибрации, частота которой оказалась равной частоте высокодобротного резонанса, что имеет место при прохождении поезда через ЗТН на определенной скорости [2].
     На практике, при вхождении в высокодобротный резонанс вибрация плавно увеличивается, и при некотором значении ее амплитуды происходит мгновенное, удароподобное, взрывоподобное разрушение.
     Разрушение может иметь вид мгновенного провала грунта, куда устремится вибрирующее устройство. Если вибрирующее устройство - компрессор насосной газоперекачивающей станции, то разрушение может сопровождаться взрывом баллонов со сжиженным газом. Если вибрирующее устройство - турбина электростанции, установленная на мощном железобетонном фундаменте, то может быть несколько вариантов разрушения. Либо разрушится фундамент, либо турбина сорвется с креплений и разнесет все устройства, находящиеся рядом с ней. Явление это во всех перечисленных его проявлениях известны как техногенное землетрясение либо горный удар.
     Добротность колебательных систем, залегающих в земной толще, зависит от геологических условий их залегания. Как оказалось, максимальных значений достигает добротность в зонах тектонических нарушений (ЗТН).
     Так сложилось, что надежно выявлять, картировать и определять параметры ЗТН возможно только с помощью метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). При использовании метода ССП наряду со слоистостью массива выявляются специфические для ЗТН зоны, для которых характерно наличие прорисовки V-образных (воронкообразных) объектов.
     На рис.1 приведен пример такого ССП-разреза, полученного при работе на территории очистных сооружений в пос. Ольгино, СПб. Эта территория представляет для нас особый интерес тем, что там время от времени происходят горные удары.
     Каждая вертикальная линия представляет собой спектральное изображение сейсмосигнала, полученного в соответствующей точке линии профиля. Пересчет частоты f в метры глубины h осуществляется по формуле (1).

ССП-разрез

Рис. 1

     Каждый вертикальный объект на ССП-разрезе - это спектральное изображение сейсмосигнала. Каждое локальное утолщение вертикальной линии соответствует гармонической составляющей сейсмосигнала. Величина поперечного размера каждого из локальных утолщений пропорциональна величине добротности соответствующей гармонической составляющей.
     Как видно из рисунка, профиль пересекает две зоны тектонических нарушений - ЗТН1 и ЗТН2. На основании многолетних исследований методом ССП установлено, что ЗТН на ССП-разрезах прорисовывается за счет того, что в этих зонах наблюдается повышенное значение добротности гармонических составляющих сейсмосигнала, что является одним из свойств ЗТН.
     Вне ЗТН, на участке 280 - 350м профиля на глубине около 35м прорисовывается субгоризонтальная граница геологического происхождения. Эта глубина соответствует, согласно формуле (1), примерно 70Гц. Это значит, что, установив в пределах этого участка вибрирующий механизм, мы получим усиление вибрации на скорости его вращения около 70 об/с. Добротность по этой границе равна примерно 10, и мы получим усиление вибрации раз в 10, что соответствует низкодобротному резонансу.
     Если вибрирующая установка окажется установленной вблизи 480-го метра профиля, то получим две запрещенных скорости - 40 и 25об/сек. Здесь добротность этих двух колебательных систем составляет примерно 50. При 50-кратном увеличении амплитуды вибрации возможно внезапное разрушение.
     При установке вибрирующего механизма вблизи 770-го метра добротность залегающей там колебательной вблизи составляет 200, и скорость вращения 20об/с соответствует явно высокодобротному резонансу. Если рабочая скорость оборотов выше, чем 20об/с, то в этот резонанс можно попасть при остановке механизма. Именно так и произошло на Саяно-Шушенской ГЭС, когда вибрация в рабочем режиме  достигла недопустимо высоких значений. При остановке турбины, когда следовало проскакивать запрещенные скорости как можно быстрее, на этих скоростях задержались и попали в высокодобротный резонанс.
     Обычно турбины и прочие энергетические установки ставят не на грунт, а на мощный фундамент. В простейшем случае, это железобетонный блок в виде прямоугольного параллелепипеда. Имея три размера, этот объект является совокупностью трех колебательных систем, частота каждой из которых связана с соответствующим размером выражением (1). То есть, за счет фундамента имеем еще три запрещенных частоты вибрации. Если по каким-то причинам в теле фундамента образуется трещина, это означает, что появляется еще один размер, и следовательно, еще одна собственная частота фундамента, то есть, еще одна запрещенная частота вибрации. По мере накопления в теле фундамента микротрещиноватости увеличивается количество собственных частот. Эти микротрещины образуют низкодобротные колебательные системы, но за счет увеличения их количества происходит увеличение вибрации во всем диапазоне частот вибрации. А это еще больше разрушает как фундамент, так и вибрирующее устройство.
     Но вернемся к зонам тектонических нарушений.
     Как оказалось, зоны тектонических нарушений имеют массу интереснейших, ранее неизвестных свойств. Наиболее важным для нас, в аспекте настоящей статьи, является планетарная пульсация.
     Планетарная пульсация проявляется исключительно в ЗТН [3]. Она представляет собой колебания, регистрируемые на поверхности грунта с весьма малой частотой (десятые и сотые доли Герц). Амплитуда же этих колебаний может достигать 10см, но она не постоянна, и время от времени может уменьшаться, и даже вплоть до нуля. Вектор знакопеременного смещения пульсирующей поверхности изменяется во времени как по величине, так и по направлению. Изменяется и частота пульсации.
     Само по себе, это явление является причиной разрушений инженерных сооружений. Это легко понять, если представить себе, что часть фундамента сооружения находится на спокойном, неподвижном грунте, то есть, вне ЗТН, а часть, которая оказалась в ЗТН - раскачивается. Естественно, что подобного насилия не выдержит ни железобетонная конструкция, ни даже металлическая (трубопроводы, рельсы и т.п.), которая в отличие от хрупкого бетона в состоянии воспринимать изгибные деформации.
     Изучение разрушений инженерных сооружений в ЗТН под воздействием планетарной пульсации привело к парадоксальному выводу. Оказалось, что чем прочнее фундамент и само сооружение, тем интенсивнее его разрушение. Это хорошо просматривается при обследованиях домов, возведенных по монолитной технологии, которые разрушаются ощутимо интенсивнее, чем кирпичные. Не редкость, когда разрушается железобетонная плита (плавающее основание) еще до начала ее нагружения. И железобетонное тело плотины должно разрушаться больше, чем земляное.
     Когда к планетарной пульсации добавляется еще и вибрация от находящихся в сооружении механизмов, не говоря уж о резонансном эффекте, то вероятность техногенной катастрофы увеличивается еще больше.
     Необходимо отметить, что применение свай ничего не изменяет. И даже наоборот, в ряде случаев сваи только способствуют разрушению сооружений [4].
     Можно показать несколько случаев, когда логика развития событий, завершающихся катастрофой, в точности вписывается в изложенную выше модель.

1. Саяно-Шушенская ГЭС.

     Трещина в теле плотины появилась в 1983 году. Подобные явления происходят под влиянием планетарной пульсации, поскольку русло Енисея, как и любой другой реки, находится в зоне тектонического нарушения. Эти зоны вдоль реки или ручья идут не единой структурой, а проявляются фрагментарно. Они легко картируются методом спектрального сейсмопрофилирования. Понятно, что для установки ГЭС нужно выбирать участок с минимальной прорисовкой на ССП или, иначе говоря, с минимальными значениями добротности, чтобы уменьшить разрушающее действие ЗТН.
     Возникновение этой трещины и развивающиеся микротрещины привели к тому, что вибрация увеличилась практически во всем частотном диапазоне. Гидроагрегаты ремонтировали, чтобы уменьшить вибрацию, но причина вибрации в наличии множества трещин в теле плотины, и поэтому ремонт ничего не давал.
     Постоянная повышенная вибрация в теле плотины вызвала дальнейшее, еще большее увеличение ее нарушенности. А это еще больше увеличило вибрацию. Эта, своего рода, цепная реакция привела к такому росту вибрации на рабочих оборотах, что было принято решение остановить гидроагрегат.
     Уменьшение скорости вращения при остановке осуществлялось столь плавно и медленно, что при достижении величины скорости вращения, соответствующей высокодобротному резонансу, амплитуда вибрации успела увеличиться до такого уровня, что гидроагрегат сорвало с фундамента с такой силой, что он разнес все вокруг.

2. Северо-Западная ТЭЦ.

     Инженерно-геофизические изыскания методом ССП осуществлялись на этом объекте только после того, как уже был возведен машинный зал первой очереди. В результате профилирования вокруг этого сооружения было обнаружено, что под машинным залом находятся зоны тектонических нарушений.
     Машинный зал второй очереди еще не был построен, но место, на котором его предполагалось возвести, было полностью заболочено. Болото - это всегда множество пересекающихся ЗТН. Так что разрушение на этом месте зала было предопределено.
     Наш прогноз и рекомендации сводились к тому, что вероятность разрушения инженерных сооружений, оказывающих на грунт динамическое воздействие, очень высока, и что необходимо изменить место возведения электростанции.
     Изменить что-либо в проекте оказалось невозможным, и таким образом, сформировался случай проверить наш прогноз. Косвенные признаки того, что прогноз подтверждается, существуют. Но здесь я пишу об этом только для того, чтобы предупредить о том, что, когда вибрация турбин достигнет недопустимо высокого уровня, вибрирующую машину следует останавливать очень быстро.

3. Дом №11 по ул. Шпалерной, СПб.

     Дом построен в самом начале ХХ века, имеет 6 этажей. В 2004 году дом обследовался с помощью метода ССП с тем, чтобы понять причины его крайне разрушенного состояния. Раскрыв трещин в стенах достигает 12см. Стены скреплены анкерами и стяжками.
     В ходе обследования было обнаружено, что под домом залегает весьма высокодобротная колебательная система. Добротность ее превышает 200.
     В результате обследования была дана рекомендация избегать использования в доме, и особенно, в квартирах, находящихся над этой колебательной системой, любых динамических (вибрационных) воздействий, использования разного рода механизмов и даже быстрых танцев групп молодежи. Однако, несмотря на предупреждение, в квартире на 4-м этаже, непосредственно над центром выявленной колебательной системы, на кухне была задействована стиральная машина. Во время отжима началась характерная вибрация, однако последствия ее чуть не разрушили весь дом.
     Дом сильно задрожал, вибрация стала быстро нарастать, и люди выскочили на улицу. Стиральная машина при этом «побежала» по кухне, и при этом шнур питания выдернулся из розетки. Если бы питание стиральной машины не прервалось, дом разрушился бы. Дальше будет дан пример точно такого же разрушения дома в Кельне. Здесь же необходимо отметить следующее.
     Дом и сейчас продолжает разрушаться, образуются новые трещины, дом периодически раскачивается от самых незначительных воздействий. Вероятность того, что он внезапно рухнет, и жители его пострадают, очень велика.

4. Архив в Кельне.

     Шестиэтажное здание архива внезапно обрушилось 3 марта 2009 года. Очевидцы рассказали Reuters, что перед обрушением наблюдался грохот и сильная вибрация. «Стол, за которым я сидел, качнулся, и я подумал, что кто-то случайно задел его ногой, - сказал один из посетителей архива. - Потом все начало трястись, как во время землетрясения». Дом превратился в груду кирпичей буквально за секунды. Представитель полиции сказал журналистам, что «это было похоже на взрыв»: кирпичи, доски и куски цемента разлетелись по тротуару в радиусе до 70 метров. По информации в прессе, под зданием проходит ветка метро, тоннель которой тоже обвалился.
     Причина происшествия была в следующем. В тоннеле метрополитена рабочие осуществляли бурение в стенку выработки. Так случилось, что это происходило в центре залегающей в земной толще колебательной системы. Вибрация буровой установки случайно попала в резонанс, и все сооружения, находящиеся в этой зоне - здание архива и сама подземная выработка - разрушились.
     В восприятии этого материала не следует искать энергетические неувязки в том смысле, что может ли 40-килограммовая стиральная машина разрушить дом, в тысячи раз более тяжелый. Этот легкий вибратор не дом разрушает, а колебательную систему раскачивает, а здесь энергетические понятия совершенно иные. Здесь очень важно понимать, что резонанс разрушает не сооружения, а саму колебательную систему, то есть, породный массив. А сооружения разрушаются лишь постольку, поскольку они связаны с этим массивом.

ВЫВОДЫ

1. Центрами разрушений разного рода инженерных сооружений и в частности, энергетических установок, оказывающих на грунт динамическое воздействие, являются зоны тектонических нарушений.
2. Наиболее подверженными разрушениям являются ГЭС, так как русла рек - это всегда ЗТН.
3. Одним из признаков того, что причиной аварий в очень многих случаях являются особенности геологического строения, служит повторяемость многих аварий в одном и том же месте. Это легко наблюдать по факту аварий на трубопроводах, которые наиболее явно повторяются на одних и тех же местах.
4. В изложенном в настоящей статье механизме формирования техногенных катастроф нет ни одной гипотезы, а только наблюдаемые в эксперименте факты. Каждый шаг в подготовке техногенной катастрофы может быть прослежен и смоделирован.
5. Практика применения метода ССП на стадии инженерных изысканий позволяет провести районирование площади и выбрать участки, в геологическом разрезе которых отсутствуют зоны тектонических нарушений и любые структуры с высокой добротностью. То есть, выбрать участки для возведения объектов вообще и энергетических установок в частности таким образом, чтобы снизить до нуля вероятность их разрушения под воздействием геологических факторов.
6. Увеличение аварийности на Земле повышает статус и финансирование организаций типа нашего МЧС. Снижение аварийности им не выгодно, и на сегодняшний день, это основной тормозящий фактор использования наработок по прогнозированию техногенных катастроф.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия.
2. Гликман А.Г. О некоторых разновидностях аварий на железных дорогах.
3. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
4. Гликман А.Г. Сваи - это хорошо или плохо? 

ПРИЛОЖЕНИЕ

     Во время написания этой статьи, 27-го ноября 2009, произошла железнодорожная авария, практически точно такая же, как 13-го августа 2007 года, в нескольких километрах от нее. Точно так же непосредственно перед аварией наблюдалась возрастающая до колоссальных значений вибрация. Точно так же мгновенно, взрывоподобно образовалась воронка, сломались шпалы и порвались рельсы. В результате, оторвались последние три вагона. И точно так же в качестве причины аварии назван теракт. В результате этой последней аварии погибло 26 человек и пострадало больше 90.
     Виноваты в этом те, кто в 2007 году назвал в качестве причины аварии взрыв, который сделали террористы. То есть, взрыв, которого не было. Этой аварии можно было избежать, если бы вместо того, чтобы выбивать признание из кавказцев, было бы проведено расследование причин первой аварии. Ну что ж, ложь никогда не проходит безнаказанно.
     Когда я пытался довести до сведения тех людей, которые распоряжаются нашими жизнями, что это был не взрыв, а резонансный горный удар, мне сказали, что до тех пор, пока не пострадает в подобной аварии кто-то из «больших» людей, заинтересовать в том, чтобы такие аварии прекратились, никого не удастся. Ну вот, как хотели, так и произошло. Посмотрим, что будет дальше...