Общие закономерности изменения инженерно-геологических

условий городов

Геологическая среда – динамичная, развивающаяся система. На геоэкологическую ситуацию городов оказывают воздействие более 50 видов опасных природных и природно-техногенных процессов 50. Воздействие человека приводит к изменению хода природных геологических процессов, обусловливает возникновение новых техногенных геологических процессов, которые, как правило, протекают с большой скоростью и вызывают закономерные изменения состава, состояния и свойств геологической среды.

Изменение инженерно-геологических условий, в т.ч. гидрогеологических, происходит при всех видах инженерно-хозяйственной деятельности человека. Они наиболее глубоки и нередко имеют негативные последствия в районах интенсивного техногенного воздействия. К их числу относятся в первую очередь территории городов и городских агломераций, включая крупные водозаборы подземных вод [23, 27, 54, 66, 101, 102].

Характер и интенсивность изменения рассматриваемых особенностей геологической среды при техногенном воздействии зависит, прежде всего, от: 1) состава, строения и свойств геологической среды; 2) типов и источников техногенного воздействия; 3) масштабов и интенсивности этого воздействия. Кроме того, существенное значение имеет современная физико-географическая обстановка, во многом влияющая на состояние и свойства верхних горизонтов геологической среды. Под влиянием этих факторов изменения инженерно-геологических условий могут быть качественными и количественными, локальными и региональными, временными и постоянными, приповерхностными и глубинными.

Производственная деятельность, как правило, особенно контраст­но проявляется в изменении гидрогеологических условий, поскольку подземные воды – один из наиболее подвижных компонентов геологической среды. Техногенное воздействие на гидрогео­логические условия может быть вызвано: 1) изъятием вещества – твердого, жидкого и газообразного; 2) привносом вещества, в основном водных растворов; 3) сочетанием привноса и изъятия вещества [101, 102]. Таким образом, изменения гидрогеологических условий при техногенных воздействиях достаточно многоплановы. Главнейшими из них являются загрязнение и истощение ресурсов подземных вод.

Для территории г. Гомеля особенно велика роль изъятия вещества при эксплуатации подземных вод системой крупных водозаборов и осушении заболоченных территорий и др. Эксплуатация подземных вод нарушает, прежде всего, режим и баланс отдельных водоносных горизонтов и условия их взаимосвязи.

Особенно значительные изменения гидрогеологических условий происходят при техногенном изменении гидрогеологического баланса на застроенных территориях под влиянием экранирующего действия асфальтовых покрытий, утечек из водонесущих коммуникаций, дополнительных источников питания (фонтанов, прудов) и т.п. – так называемое, техногенное подтопление.

Масштаб изменений гидрогеологических условий (величина подъема уровня грунтовых вод, изменения их качества, размеры зон под­пора грунтовых вод и подтопления прилегающей территории) на застроенных территориях определяется, прежде всего, геологическим строением района строительства и прилегающей территории (в первую очередь фильтрационными свойствами водовмещающих и перекрывающих пород).

Сочетание одновременных привноса и изъятия вещества подземной гидросферы – явление широко распространенное. Типичными могут считаться наблюдаемые в городах процессы, когда отбор подземных вод сопровождается утечками из водопроводов и фильтрацией сточ­ных вод; таковыми же будут систематическое осушение и перио­дический полив мелиорируемых земель.

Загрязнение подземных вод – качественное их изменение, вызванное химическим, биологическим, радиоактивным или тепловым воздействием. В зависимости от вида и источника производственной деятельности человека различают следующие загрязнения: 1) промышленное – обязано сточным водам различных отраслей промышленности; 2) сельскохозяйственное – от внесения в почву удобрений и ядохимикатов; 3) коммунально-бытовое – вследствие сброса и складирования нечистот в пределах населенных пунктов.

Все виды загрязнений опасны. По интенсивности и масштабам воздействия на подземную гидросферу наиболее действенным, пожалуй, является промышленное загрязнение, в частности сточные воды химических производств. Оно большей частью имеет локальный характер, но местами из временного становится постоян­ным и проникает на значительную глубину. Опасность промышленного загрязнения заключается в прогрес­сирующем росте вырабатываемых промстоков, увеличении и услож­нении числа загрязнителей. Если в первые послевоенные годы их нормировалось чуть больше десятка, то теперь – несколько сотен. Ничтожные количества некоторых загрязнителей, в частности радиоактивных, делают непригодными к употреблению громадные резервуары подземных и поверхностных вод.

Прогрессируют коммунально-бытовые загрязнения. Эти виды затрагивают преимущественно верхние гори­зонты, но зато отличаются площадным характером: ими поражены обширные земельные массивы и городские агломерации.

Так, загрязнением охвачена целиком площадь г. Гомеля, нередко на глубину до 40 м (Таблица 5.1) [14, 15]. Поступающие в верхние горизонты литосферы различного рода сточные воды, часто загрязняющие вследствие повышенной минерализации и наличия нежелательных компонентов подземные воды, вызывают активизацию геохимических, геотермических, геодинамических и инженерно-геологических процессов. Они, в свою очередь, обусловливают дальнейшие изменения геологической среды.

Конечно, геологическая среда загрязняется не столь интенсивно, как гидросфера. Но, как показывает борьба с загрязнителями, если загрязнение попало в подземные резервуары, то изба­виться от него бывает гораздо труднее, чем от загрязнения рек, озер.

Таблица 5.1 – Классификация химического воздействия (загрязнения) на геологическую среду Гомельского промышленного района 15

Поскольку загрязнители в недра земли обычно попадают сверху и в растворенном состоянии, наиболее типичен такой путь их миграции и изменения в геологической среде: 1) проникновение через зону аэрации в водоносный горизонт; 2) перенос с подземными водами; 3) сорбция и физико-химическое взаимодействие с вмещающими породами.

Зона аэрации играет очень большую роль в поглощении загрязнителей. В случае мощного почвенно-растительного слоя или суглинков уже первые 15-30 см задерживают их до 90% и более. Однако в галечно-песчаных и даже карбонатных породах эффект самоочищения незначителен. Точно так же происходит сорбция во вмещающих толщах. Имеется много сложных загрязнителей, которые не сорбируются вовсе и способны накапливаться в подземных водах. Достаточно надежной преградой при наземном радио­активном заражении является зона аэрации, сложенная песчано-глинистыми отложениями и имеющая мощность более 2- 5 м [4].

Главными изменениями инженерно-геологических условий являются техногенные нарушения: 1) водного баланса территории; 2) теплового баланса; 3) химическое и электромагнитное загрязнение; 4) изменение напря­женно-деформированного состояния толщ горных пород.

Нарушение водного баланса территории приводит, как известно, к изменениям поверхностной гидросферы и главное – гидрогеологических условий. Трансформация последних имеет, как уже отме­чалось, глубокие инженерно-геологические последствия. В частности, хорошо известно, что интенсивная откачка подземных вод, сопровождаемая значительным снижением уровня подземных вод и изменением гидродинамической обстановки, в ряде районов приводит к оседанию поверхности земли и активизации суффозионных процессов, в том числе и в закарстованных массивах.

Явление оседания земной поверхности, формирующееся под влиянием крупного водоотбора вызывается изменениями состояния и свойств водовмещающих и разделяющих пород, а также гидростатического давления на них. Наиболее широко распространены также деформации на тех терри­ториях, где подземные воды заключены в хорошо проницаемых песчано-глинистых породах с небольшой сжимаемостью, которые переслаиваются с глинистыми слабопроницаемыми, но хорошо сжимаемыми отложениями вследствие возможности протекания в них процессов осадки и усадки. При откачке снижается напор подзем­ных вод, что увеличивает эффективное давление на скелет грунта и приводит к уплотнению сжимаемых отложений, а как следствие – к оседанию земной поверхности.

Столь же контрастны изменения инженерно-геологических усло­вий, обусловленные повышением уровня подземных вод и обводне­нием грунтов. Этим вызывается подтопление территорий, особенно ярко выраженное в границах города, заболачивание мест­ности в его пределах, изменение деформационных свойств грунтов и связанные с ним деформации ин­женерных сооружений. Увеличение влажности грунтов, связанное с повышением уровня подземных вод, часто способствует развитию склоновых процессов – оплывин и оползней крупного размера. К особо большим негатив­ным последствиям приводят деформации сооружений из-за повышения естественной влажности грунтов. Изменение инженерно-геологических условий связано и зависит от изменений поверхностной гидросферы в районах интенсивного техногенного воздействия. Так, лишь нарушение поверхностного стока может привести к развитию или активизации эрозионных процессов, заболачиванию территории, развитию оползней.

Тепловое воздействие промышленных и коммунальных предприятий, сетей теплоснабжения и коммуникаций, отапливаемых подземных сооружений и других объектов при относительно равномерном их распределении по территории города приводит к образованию так называемых тепловых куполов с проникновением зоны прогрева грунта и подземных вод на глубину 60-100 м. Это является следствием выделения в геологическую среду большого количества тепла, достигающего величины 10⁵-10⁹ Дж/м² ежегодно [44].

Функционирование отдельных объектов – источников тепловыделения или теплопоглощения приводит к формированию устойчивых зон прогрева или охлаждения грунтов в окрестностях этих источников.

Теоретические расчеты показывают, что источник с температурой на поверхности теплообмена 100^о за 10 лет своего существования только за счет кондуктивной передачи тепла создает вокруг себя в песчано-глинистых грунтах зону повышенной температуры (более 25^оС) шириной до 25 м 44. В случае переноса тепла грунтовыми водами ареал воздействия еще более увеличивается.

Длительные воздействия источников (или поглотителей) тепла нарушают естественный температурный режим в грунтовой толще, увеличивая (или уменьшая) температуру пород и содержащихся в них подземных вод, что, в свою очередь изменяет физико-механические свойства пород, общую коррозионную обстановку. Прогрев грунтов до 150-160^оС не приводит к существенным структурным ее изменениям, но ведет к повышению фильтрующей способности, уменьшению липкости, пластичности, влагоемкости. В глинистых грунтах при прогреве до 60^оС происходит удаление основной массы воды. Температура коррозионной среды оказывает существенное влияние на скорость коррозии. Так при изменении температуры от 0 до 80^оС скорость коррозии стали, наиболее употребительных в строительной индустрии марок, значительно возрастает. Увеличение температуры грунтов и подземных вод стимулирует деятельность микроорганизмов, что приводит к увеличению биокоррозии.

Электрическое воздействие на геологическую среду определяется наличием блуждающих электрических токов, для которых геологическая среда в городах является средой-носителем. Электрическое поле блуждающих токов охватывает практически всю верхнюю часть литосферного пространства в пределах крупных городов, концентрируясь вблизи линий электрифицированных железных дорог, электроустановок высокого напряжения, электромеханизмов и т.п. Расчеты показывают 44, что в песчано-глинистых грунтах с малым электрическим сопротивлением (порядка 10 Ом) поле блуждающих токов локализуется в пределах небольшого по площади пространства на расстоянии нескольких метров от источника. В грунтах с низкой электропроводимостью (сопротивление 100-500 Ом) поле блуждающих токов можно наблюдать на расстоянии нескольких километров от источника.

Коррозионная активность геологической среды находится в прямой зависимости от плотности электрических токов, текущих в пределах нескольких верхних метров грунтовой толщи, где, как правило, располагаются фундаменты зданий и инженерных сооружений, тепло-, газо- и водопроводы, коммуникации. Высокая плотность электрических токов способствует интенсификации электрохимической коррозии, что, в свою очередь, сокращает сроки безаварийной службы указанных выше объектов. Длительное воздействие поля блуждающих токов, в особенности постоянного и непериодического низкочастотного знакопеременного, стимулируя электрокинетические процессы, может изменить величину удельного электрического сопротивления пород, представляющих основу геологической среды, и, тем самым, еще более усугубить общую коррозионную обстановку.

При средних по величине значениях удельного электрического сопротивления наиболее типичных для песчано-глинистых грунтов (40 Ом), достаточно высокая скорость коррозии стали (0,4-2,0 мм/год и более) наблюдается при напряженности электрического поля от 1 и 2 мВ/м и выше, что соответствует плотности тока в окрестностях объекта, превышающей 0,3х10^-4 А/м². В реальных ситуациях плотность стекающего с объектов – источников тока в окрестностях этих объектов многократно превышает указанное пороговое значение.

Очень большое количество техногенных геологических процес­сов, протекающих в геологической среде, связано с изменением напряженно-деформированного состояния толщ горных пород.

Статическое воздействие на геологическую среду оказывают жилые и промышленные постройки, различные инженерные сооружения, отвалы, терриконы, искусственные водоемы и т.п. Статическое воздействие на застроенных территориях определяется, прежде всего, плотностью застройки. Кроме того, при оценке статического воздействия следует учитывать характер и время застройки, поскольку это дает информацию о виде фундамента и о продолжительности воздействия [44].

Городское и промышленное строительство приводит к созданию дополнительных нагрузок на геологическую среду, способствующих уплотнению пород. Уплотнение пород, в свою очередь, сопровождается уменьшением их влажности и пористости и увеличением объемной массы. Уплотнение пород в основании зданий и сооружений, кроме того, может привести к подпору грунтовых вод, что в свою очередь усилит процессы техногенного подтопления [33]. Удельное давление от веса зданий, сооружений, насыпей и отвалов в современных городах может достигать величины от 0,1х10⁵ до 20х10⁵ Па и более. Массивные сооружения могут создавать своей тяжестью депрессии оседания, замкнутые контуры которых отстоят от периметра сооружения на расстоянии до 50-120 м. Особенно опасны для инженерных сооружений неравномерные осадки вследствие уплотнения горных пород, поскольку они могут приводить к деформации и, как крайний случай, разрушению этих сооружений [27, 66].

Динамическое воздействие на геологическую среду определяется наличием технологических и строительных механизмов и машин, генерирующих в процессе функционирования механические колебания, передающиеся на грунт. Существенными источниками вибрационного воздействия являются транспортные магистрали, составляющие своеобразный каркас современного города и по этой причине охватывающие практически всю территорию города. Динамические нагрузки (вибрация) приводят к уплотнению рыхлых и недоуплотненных грунтов (в частности, техногенных и насыпных грунтов), к разрушению структуры непрочных тиксотропных грунтов. Как следствие воздействия динамической нагрузки, здания, располагающиеся вдоль улиц с интенсивным движением транспорта, могут испытывать осадку в среднем на 3-8 мм больше, чем здания, находящиеся в стороне от магистралей. Длительное воздействие вибрационного поля может приводить к неоднородному по простиранию и глубине захвата уплотнению (или наоборот потере связности) пород различного литологического состава. Это, в свою очередь, может привести к серьезным изменениям структуры грунтового массива в целом и деформации находящихся на нем или в нем инженерных объектов.

Колебания поверхности земли вследствие интенсивного динамического воздействия могут приводить к повреждению дорожного покрытия транспортных магистралей, смещению масс грунта на склонах и откосах выемок или насыпей, деформации строительных конструкций на примыкающих к источнику воздействия участках территории. Нарушение устойчивости горных пород в массиве за счет разрушения внутренних связей может происходить при колебаниях, скорость смещения частиц грунта при которых превышает 255х10^-6 м/с (уровень виброскорости 73 дБ). Если учесть, что уровень виброскорости для рельсового транспорта составляет 90-130 дБ, строительных площадок – 50-90 дБ, промышленных предприятий – 60-80 дБ, магистралей с интенсивным движением транспорта – 60-65 дБ, то достижение критического уровня колебательных движений на поверхности грунтового массива в городских условиях – дело вполне реальное [44].

Все эти процессы приводят к активному изменению инженерно-геологических условий. Многие из указанных инженерно-геологических процессов создают осложнения при строительстве и эксплуа­тации инженерных сооружений и требуют осуществления нередко дорогостоящих мероприятий, позволяющих управлять развитием этих процессов.