Современное развитие инженерной геологии и геотехники требует уточнения базовых методических оснований инженерно-геологических изысканий. Обсуждение цифровых моделей, цифровых двойников и мониторинга, основанного на таких моделях, оказывается продуктивным только в том случае, если исходная инженерно-геологическая информация формируется на непротиворечивой понятийной геологической базе.

Любая природно-техническая система (ПТС) представляет собой пространственно-временную композицию, в которой искусственные объекты взаимодействуют с окружающими их областями литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы. Следовательно, предмет инженерно-геологических изысканий не сводится к отдельным характеристикам грунтов или горных пород. Речь идет об изучении той части литосферы, которая должна быть рассмотрена совместно с сооружением для моделирования поведения системы в целом.

Для характеристики природно-технической системы необходимо прежде всего ограничить область ее рассмотрения. В классическом определении Г.К. Бондарика сфера взаимодействия геологической среды с сооружением понимается как подстилающая или вмещающая сооружение область литосферы, внутри которой в результате взаимодействия с сооружением развиваются инженерно-геологические процессы. Однако согласно современным техническим регламентам, а именно статье 9 Федерального закона РФ от 30.12.2009 № 384-ФЗ, требуется учитывать не только процессы, которые развиваются, но и процессы, которые могут развиваться. Это различие имеет принципиальное значение, поскольку непосредственно влияет на границы инженерно-геологического изучения, а, следовательно, и на постановку задач моделирования.

Например, отчетливо эта проблема нередко проявляется при построении геофильтрационных моделей. Моделируемая область должна определяться не произвольно, а в соответствии с реальным распространением прогнозируемого эффекта. Если рассматривается барражный эффект, то прогноз его пространственного развития должен задавать горизонтальные, а, при необходимости, и глубинные границы модели, причем размер модели в плане обычно существенно превышает пятно застройки. При этом сама процедура верификации не может подменять инженерно-геологическое обоснование параметров, в частности коэффициентов фильтрации, если их принятие не подтверждено самостоятельными полевыми или опытными данными. Геофильтрационная модель в этом смысле представляет собой сложную инженерно-геологическую конструкцию, а не только расчетную схему.

Вопрос о границах моделируемой области непосредственно связан с вопросом о структуре сферы взаимодействия сооружения. В иерархической схеме Г.К. Бондарика последовательно – по мере увеличения размера – выделяются следующие инженерно-геологические тела (ИГТ): инженерно-геологический элемент, расчетный элемент, зона сферы взаимодействия, сфера взаимодействия геологической среды с сооружением и, наконец, область взаимодействия геологической среды с комплексом сооружений. При этом напомним, что Г.К. Бондарик под ИГТ понимал некоторый объем геологической среды, конфигурацию и размеры которого устанавливают в соответствии с критериями, определяемыми ее свойствами, а также требованиями при проектировании расчетов ИГП, проводимых при проектировании сооружений. Автор предполагал, что предложенная иерархия позволит: 1) моделирование структуры СВ (например, уплотнение слоистой толщи или фильтрационная модель – требуется совершенно разный объем ИГТ); 2) рациональное планирование состава и объемов исследований; 3) организацию системы мониторинга за функционированием ПТС, цель которого состоит в корректировке инженерно-геологических прогнозов.

Ключевым понятием этой системы является инженерно-геологический элемент. По Бондарику, инженерно-геологическим элементом следует считать инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой и статистически однородное по некоторому показателю свойств, выбираемому исходя из требований конкретного расчета. Вместе с тем с точки зрения именно геологии принципиально важно учитывать и позицию Н.В. Коломенского, согласно которой инженерно-геологические элементы должны пониматься как геологические тела – линзы, пласты, прослои и другие образования, генетически однородные, в пределах которых значения индивидуальных показателей носят случайный характер. Именно это определение возвращает инженерно-геологический разрез (модель) к геологической сущности объекта.

К сожалению, в современной практике изысканий за инженерно-геологический элемент принимается некоторый объем грунта одного происхождения, подвида или разновидности, внутри которого характеристики изменяются случайно или закономерностью можно пренебречь – ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистическая обработки результатов испытаний». Такая трактовка удобна именно для статистической обработки, однако она практически никогда не согласуется с геологическим строением той части литосферы, в пределах которой проектируется то, или иное сооружение. Если понятие инженерно-геологического элемента отрывается от понятия геологического тела, против чего категорически возражал Н.В. Коломенский, всегда существует риск построения инженерно-геологических разрезов и в последующем 3D-моделей, противоречащих генезису пород, условиям их залегания и закономерностям формирования природных комплексов.

К сожалению, во многих современных финальных отчетах по результатам инженерно-геологических изысканий можно видеть, что такое обращение с фактическим материалом, получаемым в процессе изысканий, приводит к конструкциям, противоречащим не только профессиональной интуиции, но и самим законам природы. Например, вертикальная столбчатая отдельность в аллювиальных отложениях р.Москвы, врезание р.Москвы в техногенные отложения, наличие фациальных переходов в отложениях одного генезиса, неподдающихся здравому смыслу, дресвяно-щебенистые грунты вместо нормально стратифицированной толщи пород гжельского яруса и т.д. Такие примеры можно приводить бесконечно. Особенно этому способствует широкое распространение практики компьютерного построения разрезов. Если игнорировать генетические признаки геологических тел и закономерности их формирования, то можно получить формальный инженерно-геологический разрез (модель), оформленный согласно действующим техническим регламентам, но, по существу, недостоверную картину геологического строения. И любая последующая прогнозная модель – геомеханическая, геофильтрационная или иная – будет наследовать именно эту исходную ошибку.

Для крупных и средних масштабов геологическая основа особенно важна, поскольку в региональной стратиграфической шкале геологические тела представлены конкретными единицами – слоями, подсвитами, свитами, горизонтами, сериями и надгоризонтами. Игнорирование этих единиц при инженерно-геологическом расчленении фактически разрушает связь между инженерной геологией и геологией как таковой. Между тем именно эта связь обеспечивает содержательную достоверность разрезов, карт и моделей. Ведь Г.К. Бондарик в своей классификации геологических тел предлагал сначала выделять стратиграфо-генетические комплексы (в региональной стратиграфической шкале это и есть свита, горизонт или серия), а потом уже делить их по составу, состоянию и свойствам. Только он зачем-то полагал, что геологическими телами надо оперировать только тогда, когда инженерно-геологические исследования не связаны с проектированием?! А надо бы сначала строить геологическую модель (разрез) и только потом – инженерно-геологическую, в том числе и для обоснования проектных решений.

Практические последствия методических ошибок становятся особенно заметными при переходе к трехмерному моделированию. Если инженерно-геологический элемент трактуется как произвольно выделенный объем, а не как геологическое тело, трехмерная модель не заполняет пространство корректно: возникают разрывы, несогласованные границы и внутренние пустоты. В этом случае цифровая среда не устраняет методологическую проблему, а лишь делает ее наглядной. Следовательно, развитие трехмерного моделирования требует не упрощения инженерно-геологического расчленения, а, напротив, его более строгого геологического обоснования.

Именно здесь проходит граница между содержательным моделированием и его имитацией. Цифровые технологии действительно открывают большие возможности, но только при условии, что они опираются на корректно выделенные геологические тела, на понятные границы сферы взаимодействия и на осмысленную структуру инженерно-геологической информации. Без этого цифровой двойник остается красивой картинкой, а не работающим инструментом. А построение инженерно-геологической 3D-модели по одному разрезу путем его дублирования в разные стороны от оси сооружения (метод, предлагаемый некоторыми проектными организациями) вообще за гранью здравого смысла.

То же относится и к связке между геологической, инженерно-геологической и геомеханической моделями. Конфигурация моделируемой области определяется не универсальной схемой, а конкретным процессом или сочетанием процессов, которые необходимо прогнозировать. Если моделируется один инженерно-геологический процесс, границы сферы взаимодействия будут одними; если рассматриваются два и более процесса (несколько зон сферы взаимодействия), нижняя и боковые границы прогнозной 3D-модели могут расширяться существенно. Причем, технические регламенты до сих пор этих границ не определяют и практически все зависит от квалификации исследователя и качества фактического материала.

С этих позиций особое значение приобретает и мониторинг. Любой мониторинг должен быть модельно ориентирован (как считал В.М. Шестаков и в этом с ним трудно не согласиться). Это означает, что вначале должна быть сформирована модель процесса, затем выделены показатели и свойства, определяющие его развитие, и только после этого может выстраиваться система наблюдений. Назначение мониторинга состоит не в накоплении данных как таковом, а в сопоставлении реальных измерений с модельным представлением о поведении природно-технической системы. Следовательно, качество мониторинга напрямую зависит от качества исходной инженерно-геологической модели, которая, как было показано ранее должна начинаться с модели геологической.