employee from 01.01.2000 until now
Penza, Penza, Russian Federation
student from 01.01.2018 until now
Penza, Russian Federation
student from 01.01.2018 until now
Penza, Penza, Russian Federation
student from 01.01.2018 until now
Penza, Penza, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.21 Инженерные изыскания в строительстве
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 08.03.01 Строительство
BBK 38 Строительство
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
BISAC ARC024000 Buildings / General
Possible sources and factors of flooding of territories are considered. The consequences of flooding of urban and industrial areas with groundwater have been identified. Modern technical solutions for the engineering protection of territories from flooding are proposed.
flooding, groundwater, flooding factors, engineering protection methods
Первые сведения о подтоплении территории городов в нашей стране появились в конце 30-х годов 20 века. В связи с ростом промышленного, гражданского и мелиоративного строительства процессы подтопления стали наблюдаться во всё больших масштабах. Подтоплению начали подвергаться различные по характеру застройки территории, сложенные главным образом, слабопроницаемыми грунтами. Эта территория небольших населенных пунктов малых и крупных городов. В больших масштабах подтопление проявляется на территориях Курганской, Тюменской, Омской, Иркутской, Новосибирской и других областей, причём в тех местах, где геологический разрез представлен лёссовидными или не лессовидными суглинками и глинами [1-5]. Имеются многочисленные примеры подтоплений городов и поселков Пензенской области и прилегающих к ним территорий [6, 7]. Так, в Пензенской области наибольшее число случаев подтопления наблюдается в её восточной части (рис.1).
Рис.1. Схематическая карта распространения районов подтопления Пензенской области.
Здесь имеются районы, которые стали подвергаться подтоплению еще в довоенное время. В пределах области подтопление происходит в тех районах, где в основании зданий и сооружений залегает толща пылевато-глинистых грунтов, часто оторфованных, подстилаемая коричневато-бурыми плотными глинами четвертичного возраста или мергелистыми глинами мелового возраста.
Источники и факторы подтопления городских и промышленных территорий
В результате роста территории городов возникают новые режимообразующие факторы и источники питания грунтовых вод, которые при определённых геологических, гидрогеологических и геоморфологических условиях приводят к подъему уровня грунтовых вод. К таким факторам можно отнести следующие:
1. Потери производственных вод на предприятиях с мокрым технологическим процессом; утечки из водонесущих (водоводов, пульповодов, паропроводов, канализационных коллекторов и т.д.); аварийные утечки из водохранилища, отстойников и др; подпор грунтовых вод водохранилищами, шламоотстойниками, хвостохранилищами и другими гидротехническими сооружениями; нарушение вертикальной планировки территории; засыпка неестественных оврагов, ухудшающие условия поверхностного стока; уменьшение площади испарения с застроенной территории; снижение расходной части водного баланса на транспирацию растений; активизация процессов тепловлагопереноса и конденсации влаги под зданиями, сооружениями, асфальтовыми и бетонными покрытиями; барражирующее влияние фундаментов сооружений, а также подпорное влияния подземных сооружений, коллекторов, тоннелей и т.д.; захламленность промышленных площадок, засоренность ливнестоков и канализации или их отсутствие.
2. Бессточность кварталов, оконтуренных дорогами и дамбами обвалования; обильный полив зеленых насаждений; орошение прилегающих сельскохозяйственных угодий и др.
Перечисленные факторы подразделяются на активные и пассивные, естественные и искусственные. С качественной и количественной точки зрения их влияние на развитие процесса подтопления оценивают на основе материалов инженерно-геологических изысканий и специальных наблюдений за режимом грунтовых вод.
Последствия подтопления городских и промышленных территорий грунтовыми водами
Подтопление городских территорий грунтовыми водами - причина возникновения на них ряда отрицательных явлений. Так, вследствие нарушения водного режима слабопроницаемых грунтов происходят изменения их физико-механических свойств. Под воздействием воды увеличиваются объёмная масса и показатель консистенции грунтов, размягчаются кристаллизационные и ослабевают водно-коллоидные связи первичных частиц и микроорганизмов, растворяется их цементная пленка. В результате уменьшается модуль деформации и сопротивление сдвигу грунтов.
Увлажнение просадочных лессовидных грунтов сопровождается осадкой их под действием собственного веса, веса зданий и сооружений. В этих случаях пористость и коэффициент пористости увеличиваются. Вместе с этим возрастает и их коэффициент фильтрации.
Снижение уровня грунтовых вод при применении различных методов борьбы с подтоплением приводит к уплотнению рыхлых грунтов, а, следовательно, к уменьшению их пористости и коэффициента фильтрации.
При увлажнении глинистых пород происходит их набухание. Последнее сопровождается уменьшением объемной массы, повышением пористости и снижением модуля общей деформации.
На площадках промышленных предприятиях инфильтрация технологических вод с высокой температурой приводит к повышению температуры грунтов и увеличению их водопроницаемости.
На территории многих городов России наблюдается просадка лессовых грунтов от действия их собственного веса. Общее для развития таких просадок - то, что их интенсивность определяется просадочностью нижних слоев грунта и скоростью подъема уровня грунтовых вод. Интенсивность просадок неравномерна как в плане, так и по разрезу толщи лёссовых грунтов.
Способностью к усадке обладают и лессовидные суглинки. Последнее наблюдается в городах, где влажность уменьшается в пределах 3,5-4%, то есть от 15-16% до 11-12%. В наибольшей степени усадочные деформации проявляются при значительных градиентах влажности, создающихся в грунтах под внутренними и внешними опорами зданий. Помимо этого, анизотропия влажности обнаруживается и за счет высыхания грунта снаружи здания и сохранения первоначальной высокой влажности под внутренними стенами без в подвальных зданиях, а также при расположении котельных и теплотрасс в подвалах.
Строительство промышленных объектов и городов на слабопроницаемых грунтах приводит к существенному изменению не только гидродинамического, но и гидрохимического режима грунтовых вод. Это связано с тем, что инфильтрующиеся в грунт производственные воды и промышленные стоки многих предприятий содержат в значительных количествах загрязняющие компоненты как органического, так и неорганического происхождения.
Как показывает практика, в городах, где развиты различные отрасли промышленности в наибольших масштабах загрязняются грунтовые воды в результате потери воды из хвосто- и шламохранилищ, гидрозолоотвалов, прудов-отстойников, аварийных емкостей и других типов промышленных бассейнов.
Наряду с технологическими водами, отходами и стоками промышленных производств, грунтовые воды городских территорий загрязняются также инфильтрующимися в грунт из канализационных сетей хозяйственно-бытовыми сточными водами, которые содержат белки, продукты их распада, бактерии и др.
Для очистки и обезвреживания такого типа сточных вод устраивают коммунальные и земледельческие поля орошения и фильтрации. При эксплуатации подобных сооружений нередко нарушаются нормы использования их очистительной способности, что приводит к снижению степени обезвреживания бытовых сточных вод.
Многие компоненты, содержащиеся в промышленных стоках различных предприятий, химически активны. При инфильтрации стоков в грунт они вступают с ними в реакцию, выщелачивая легкорастворимые соединение (карбонатные, сульфатные и хлоридные). В результате этого увеличивается пористость грунтов, образуется суффозионные просадки, повышается минерализация грунтовых вод. Изменения в химическом составе грунтовых вод на подтопляемых территориях происходит в двух направлениях:
1. Минерализация и обогащение грунтовых вод различными компонентами повышается при инфильтрации в грунт технологических вод, промышленных стоков и вымывание из грунта солей.
2. В случае потерь пресных вод из подземных водоводов и водонесущих сооружений происходит понижение минерализации.
Первое направление в наибольших масштабах развито на подтопляемых площадках промышленных предприятий.
Вместе с общим повышением минерализации грунтовых вод на городских территориях проявляется также тенденция ее увеличения по мере приближения к поверхности, то есть к местам, где размещены источники потерь воды различного назначения и промстоков. Во многих городах увлажнение грунтов- главная причина возникновения деформаций зданий и сооружений, которые приносят большой материальный ущерб. При этом, деформации могут быть вызваны, главным образом, просадкой грунтов или их набуханием. Они наблюдаются в одно- и многоэтажных зданиях и сооружениях, построенных из кирпича, бутобетона и железобетонных блоков как на ленточных, так и на отдельностоящих фундаментах и свайных основаниях. Деформированию подвергаются стены, перекрытия, лестницы, колонны и другие конструкции зданий и сооружений.
Установлено, что во многих районах страны деформации зданий и сооружений на просадочных грунтах возникают постепенно или внезапно в зависимости от характера изменения режима влажности грунтов их оснований.
Таким образом, повышение уровня грунтовых вод на застроенных территориях, загрязнение их химическими компонентами, агрессивными к бетону и металлическим конструкциям, влечет за собой необходимость решения следующих проблем:
1. Защиты подвальных помещений различного назначения от подтопления грунтовыми водами;
2. Защиты бетона, фундаментов и металлических конструкций подземных помещений, трубопроводных систем, систем водоснабжения и теплофикации от коррозии;
3. Защиты грунтов оснований под фундаментами зданий и сооружений от возможных просадочных деформаций и набухания;
4. Использование грунтовых вод, откачиваемых подземными дренажными устройствами;
5. Охраны природных водных ресурсов района городской территории, защищаемой от подтопления;
6. Сохранения благоприятного санитарно-гигиенического состояния на территории города.
Сложность решения этих проблем требует привлечения не только проектных, но и в ряде случаев научно-исследовательских организаций.
Современные технические решения по инженерной защите застроенных территорий от подтопления
Повышение уровня грунтовых вод на городских и промышленных территориях приводит к нарушению условий, необходимых для нормальной эксплуатации зданий и сооружений. Поэтому эти территории нуждаются в инженерной защите от подтопления грунтовыми водами. Защитные мероприятия проводятся с целью общего или локального (для защиты отдельных зданий, сооружений, коммуникаций) понижения уровня грунтовых вод на городских территориях. Характер этих мероприятий определяется геолого-гидрогеологическими условиями, формой и размерами защищаемой территории, типом и плотностью застройки, размерами подземных конструкций зданий. Мероприятия по общему понижению уровня грунтовых вод проводятся там, где сосредоточено большое число зданий и сооружений, нуждающихся в инженерной защите от подтопления. К таким мероприятиям относятся устройства головных, береговых или систематических дренажей горизонтального и вертикального типов. Так, береговой дренаж устраивают в целях инженерной защиты от подтопления со стороны водотока или водохранилищ. Для перехвата грунтовых вод, поступающих со стороны водораздела, оборудуют головной дренаж. Систематический дренаж горизонтального типа применяют при небольшой плотности застройки, хорошей водопроницаемости грунтов, наличии распределённого инфильтрационного питания грунтовых вод и небольшой мощности водоносного горизонта, а вертикального типа - при большой его мощности и высокой плотности застройки. Для предотвращения поступления грунтовых вод на застроенные территории со стороны водохранилища, хвосто- и шламохранилища, рек и других водоёмов могут применяться также контурные противофильтрационные завесы, которые должны доводиться до водоупорного слоя дренируемого водоносного горизонта, т.е. гидродинамически быть совершенными.
Локальную защиту зданий и сооружений применяют на тех городских территориях, где мероприятия по их общей защите от подтопления грунтовыми водами не могут быть осуществлены, особенно в условиях их сложения грунтами с низкими фильтрационными свойствами и малой водоотдачей. Для этих целей осуществляют строительство горизонтальных (однолинейных, двулинейных и кольцевых) и вертикальных дренажей, а также противофильтрационных завес.
Там, где обычные способы осушения не обеспечивают требуемого понижения уровня грунтовых вод или снижения влажности грунтов, применяют специальные способы осушения. К ним относятся вентиляционный дренаж, вакуумирование, электроосмотическое осушение и биодренаж.
Допустимая глубина грунтовых вод на застроенных территориях
Подтопление городских территорий связывают с подъемом на них уровня грунтовых вод. Территория считается подтопленной, если глубина залегания уровня грунтовых вод на ней оказывается выше, чем допустимая минимальная глубина залегания грунтовых вод для конкретного типа застройки или другого вида использования территории (таблица 1).
Допустимая минимальная глубина залегания уровня грунтовых вод для некоторых видов застройки городских территорий Таблица 1
|
Вид застройки |
Глубина залегания УГВ, м |
|
Здания и сооружения с подвальными помещениями |
0,5-1 м от пола подвала |
|
Здания и сооружения без подвалов |
0,5 от подошвы фундамента |
|
Проезжая часть улиц, площадей |
0,5 м и более от подстилающего слоя дорожной одежды |
|
Овощехранилище |
4,5 |
|
Древесные насаждения (парки) |
1-2 |
|
Газоны |
0,5-1 |
|
Стадионы |
0,5-1 |
Согласно [8] норму осушения на застроенной территории, т.е. глубину залегания на ней уровня грунтовых вод в метрах, считая от проектной отметки поверхности территории, принимают в зависимости от характера застройки.
На большей части города Пензы подземные воды вскрываются буровыми скважинами на глубинах от 0,5÷1,5 м до 3÷5 м, на отдельных участках до 7÷10 и более метров. Прогнозная оценка изменений уровней подземных вод проводится за период 10-20 лет, с учетом существующей и перспективной гражданской и промышленной застройкой, путем построения и сопоставления по годам карт гидроизобат (глубин залегания уровней грунтовых вод) и разбивкой площадей на зоны по интервалам глубин от 0-0,5; 1-2; 2-4; 4-7; 7-10 метров. Исходя из опыта заложения фундаментов и заглубленных помещений, средние значения критических подтопляющих уровней для гражданской застройки г. Пензы составляют - 2,5 м, для промышленной – 4,0 м, а для частной – 2,0 м.
В первые десятилетия эксплуатации зданий грунтовые и подземные воды поднимаются как на подтопляемых, так и на неподтопляемых территориях со скоростью 0,1-0,3 м/год. Фактическая же скорость, по данным в нескольких парных скважинах на различных участках, колебалась от 0,17 м до 0,5 м в год в разное время. Сегодня на подтопляемых территориях уровень грунтовых и подземных вод – 2 м и меньше.
По характеру подтопления территория города разделена на подтопленную и неподтопляемую. Особенно интенсивно поднимаются воды по всему правобережью Суры, за исключением Ахун, и половина левобережья: Южная Поляна, части территорий Арбекова, Терновки, центра. Участки высоких водоразделов Западной Поляны, Северной Поляны и некоторых районов в Арбеково отнесены к потенциально неподтопляемым.
К постоянно подтопленной зоне, с учетом весеннего подъема вод на 1,0 м, относятся участки:
- с гражданской и промышленной застройкой в зонах глубин 0-2 м;
- с гражданской застройкой в зоне глубин 2-4 м;
- временно подтопленные.
Для просадочных лёссовых грунтов, подстилаемых плотными коренными породами, техногенное подтопление впервые 5-10 лет может достигнуть 0,5-1,0 м ниже поверхности земли (район Арбеково). При близком залегании водоупорных грунтов подтопление возможно за 1-2 года для промышленных объектов и за 3-5 лет для жилой застройки.
Инженерно-производственные условия подтапливаемых территорий
На подтапливаемых городских территориях инженерно-производственные условия определяются типом и плотностью застройки территорий, конструкцией инженерных сооружений, характером производства, наличием подземных водонесущих сооружений, протяженностью подземных водонесущих коммуникаций, канализационных сетей и теплотрасс, величиной потребления воды предприятиями на 1 га их площади.
Инженерные сооружения различают по назначению, геометрическому виду, размерам и конструктивным особенностям. По назначению их подразделяют на промышленные, жилищно-гражданские, транспортные, гидротехнические и сельскохозяйственные. По геометрическому виду сооружения делят на линейные и площадные. К линейным сооружениям относят дороги, трубопроводы и другие коммуникации, а к площадным – комплексы сооружений промышленных предприятий и населенных мест.
К подземным частям зданий и сооружений, подвергающихся подтоплению грунтовыми водами, относят фундаменты и подвальные помещения, технические подполья, резервуары, теплотрассы, галереи, коллекторы, опускные колодцы насосных станций, и др.
Любое строительство нарушает естественный водный баланс поверхностных и подземных вод. Стремительное увеличение темпов строительства и хозяйственное освоение территорий существенно изменили окружающую геологическую среду. Водный баланс поверхностных и подземных вод нарушился. Естественные стоки встречают на своём пути всё больше и больше препятствий: фундаменты, особенно свайные (под многоэтажные дома сваи забивают на глубину до 12-15 м), всевозможные подземные коммуникации, полностью заасфальтированные площадки (вода не может просочиться), дороги и тротуары. Естественные дрены засыпаны. За последние десятилетия техногенная нагрузка на геологическую среду города усилилась. Интенсивная застройка повлияла на подъём уровня грунтовых и подземных вод, которые на большей части города залегают на глубине 0-2 м, в некоторых местах – 4-7 м, и лишь в отдельных местах – на глубине 4-7 м. По-видимому, одна из главных причин – низкое качество производства работ по инженерной подготовке территорий к строительству водонесущих подземных коммуникаций, всевозможных связанных с ними подземных сооружений, нарушение правил их эксплуатации. Можно добавить, что лет 15-20 назад в Пензе при строительстве вообще не придавали особого значения этой проблеме, она считалась делом второстепенным. По-хорошему геологические изыскания должны проводиться перед началом любого строительства [9]. Это делалось в единичных случаях.
Выводы и рекомендации
С целью управления всей подземной гидросферой необходимо предусмотреть эффективные общегородские схемы защиты г.Пензы от подтопления грунтовыми водами, на основе которых проектировщики будут разрабатывать конкретные проекты для защиты отдельных зданий и сооружений.
По-видимому, все существующие водозащитные сооружения необходимо объединить в единый комплекс. Например, объединить имеющиеся водонесущие коммуникации с устройством систематического дренажа и вакуумированием. Необходимо разделить застраиваемые территории и уже застроенные. Во вновь застраиваемых территориях левобережной части города нужно сделать пластовые (горизонтальные) дренажи под всеми зданиями с отводом в ближайшие водоприёмники, заключением водотоков в коллекторы с устройством сопутствующего дренажа. При освоении территорий на правобережной части города необходимо произвести подсыпку до неподтопляемых отметок и организовать на них систему водостоков для сброса поверхностных вод, с отводом в ближайшие водоприёмники. Воду необходимо отводить через специальные очистные сооружения, с устройством, где необходимо, насосных станций.
Проектировщики по данным инженерных изысканий проектируют нужную инженерную защиту города от подтопления. Эта система будет составной частью комплексной защиты города и от других опасных геологических процессов, формирующихся независимо от подтопления.
1. Popov V. K., Seryakov S. V. Technogenic flooding as a factor affecting the stable functioning of cities. Bulletin of the Tomsk state University of architecture and construction. 2006. No. 2 (13). Pp. 131-137.
2. Kuranov N. P., Kriksunov Yu. Y., Khokhlatov E. M. Flooding and drainage of built-up and built-up territories. Water supply and sanitary equipment. 2004. No. 2. Pp. 34-37.
3. Nikanorov A. M., Bartsev O. B., Bartsev B. O. Man-made flooding in the South of Russia in Rostov region. Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Geographical series. 2009. No. 1. Pp. 94-104.
4. Bogomolov A. N., Olyansky Yu. I., Kiseleva O. V., Charykova S. A., Kuzmenko I. Yu. Forecast of flooding of loess territories. Bulletin of the Volgograd state University of architecture and construction. Series: Construction and architecture. 2012. No. 28 (47). Pp. 304-324.
5. Shubin M. A., Shubin A.M. Investigation of the process of flooding of built-up territories and development of protective measures. Bulletin of the Volgograd state University of architecture and construction. Series: Construction and architecture. 2010. No. 17 (36). Pp. 142-147.
6. Khryanina O. V., Koshkina N. V., Malkov A. I. On the issue of flooding of the territory // Actual problems of modern Foundation construction taking into account energy-saving technologies: materials of the VI all-Russian scientific and practical conference. Penza: Publishing House of PSUAS, 2015. Pp. 76-84.
7. Koshkina N. V., Khryanina O. V., Astafiev M. V., Reznik A. A. Problems of formation of ground water on built-up territories // Actual problems of modern Foundation construction with account of energy-saving technologies: materials of the V all-Russian scientific and practical conference. Penza: Publishing House of PSUAS, 2014. Pp. 38-39.
8. SP 104.13330.2016. Engineering protection of the territory from flooding and flooding. Updated version of SNiP 2.06.15-85. Date of introduction 2017-06-17.
9. Boldyrev G.G., Barvashov V.A., Idrisov I.Kh., Khryanina O.V. Integrated technology for engineering and geological surveys. Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Construction and architecture. 2017.V. 8. No. 3. P. 22-33.
