Влияние изменения уровня грунтовых вод на инженерно-геологическую обстановку Нижнего Поволжья

УДК 624.1 (470.46):551.495

Ж. В. Калашник Астраханский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ ОБСТАНОВКУ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

Проблема взаимодействия оснований сооружений, фундаментов и строительных конструкций с геологической средой в последние годы приобрела особую актуальность в пределах городских территорий и крупных промышленных предприятий.

С позиции инженерно-геологических изысканий для целей проектирования, строительства и безаварийной эксплуатации жилых и индустриальных объектов прогноз изменения уровня грунтовых вод является важным условием инженерно-геологической оценки территории.

В зависимости от технологии производства работ, режима эксплуатации объекта свойства и строение грунтов могут существенно меняться, что приводит к возникновению процессов, не проявлявшихся ранее на данной территории, изменяя инженерно-геологические, гидрогеологические условия, температурный режим, вызывая подтопление территорий.

Подтопление городов и крупных промышленных предприятий на территории Нижнего Поволжья приобрело в последние годы особую остроту, т. к. влечет за собой развитие различных неблагоприятных геологических процессов: массивы горных пород переувлажняются и заболачиваются, активизируются процессы засоления и коррозии металлических конструкций, происходит набухание глинистых грунтов, просадка лессов. В результате резко ухудшаются нормальные условия строительства и эксплуатации зданий и сооружений, увеличивается влажность и сырость в подвальных помещениях, накапливается влага в грунтах оснований, что приводит к возникновению деформаций в зданиях и сооружениях вследствие неравномерных осадок и просадок.

В настоящее время под подтоплением понимают любое повышение уровня грунтовых вод до критических величин, при которых отсутствуют необходимые условия строительства и эксплуатации как отдельных зданий, так и территории в целом [1].

Формирование грунтовых вод происходит при взаимодействии динамически развивающихся естественных, т. е. природных, и искусственных режимообразующих факторов. Режим грунтовых вод, определяемый только природными факторами, называют естественным или ненарушенным. К естественным факторам относят климатические, почвенные, гидрогеологические, геологические, литологические и другие факторы.

От литологического состава грунтов зависит их водоудерживающая способность и их водоотдача, проницаемость и анизотропия. Мощность

зоны аэрации и ее литология являются важным критерием изменения характера и амплитуды колебания уровней грунтовых вод.

В пределах Нижнего Поволжья преобладают безнапорные или слабонапорные грунтовые воды. Глубина их залегания зависит от рельефа, генезиса водовмещающих пород и изменяется в широких пределах - от 1 до 20 м. Максимальные глубины наблюдаются на высоких террасах, межбуг-ристых и межгрядовых равнинах. Питание грунтовых вод имеет спорадический характер из-за преобладания глинистых пород и осуществляется за счет атмосферных осадков лишь на локальных участках выхода песчаных пород или участках их неглубокого залегания. Климатические факторы оказывают существенное влияние на режим грунтовых вод, на условия питания и их разгрузки. Основную роль в питании вод зоны аэрации и грунтовых вод играют атмосферные осадки. В условиях крайне засушливого климата и высокой испаряемости питание вод осуществляется в зимне-весеннее время. Наиболее благоприятные условия для питания - на площади развития эоловых образований (междуречье Волги и Урала).

Гидрологический режим рек в пределах речных долин в зависимости от температуры и влажности воздуха влияет на изменение уровня грунтовых вод. В пределах Волго-Ахтубинской поймы в период весеннего паводка наблюдается резкий подъем уровня грунтовых вод, приводящий к смыканию поверхностных и грунтовых вод. Спад уровня воды в реке вызывает соответствующее понижение горизонта грунтовых вод. Уровень реки в период паводков и половодий поднимается в Астраханской области до 9 м в районах ниже Волгоградского гидроузла и до 3-3,5 м - в дельтовых районах [2].

Гидрологический режим р. Волги и Волго-Ахтубинской поймы в настоящее время определяется сбросами воды через Волгоградскую ГЭС. Минимальные годовые уровни наблюдаются в период летне-осенней межени (июль - ноябрь). Амплитуда сезонных колебаний уровня воды в этот период невелика (в среднем 0,85 см). В зимнюю межень уровень на 1-1,5 м выше. Минимальные зимние уровни наблюдаются перед началом весеннего половодья. Затопление поймы начинается в конце апреля - начале мая.

Если искусственные факторы оказывают существенное влияние на формирование грунтовых вод, то режим называют искусственным, нарушенным. Искусственные факторы - это факторы, связанные с человеческой деятельностью: возведение плотин, ирригационных каналов, водозабор подземных вод, утечки воды из водопроводов и др. Огромное влияние на геологическую среду в пределах Нижнего Поволжья оказывает мелиоративное строительство. Большая протяженность незакрепленных оросительных каналов, неумеренные поливы - все это в сочетании с низкой дренированностью земель привело к быстрому подъему грунтовых вод, подтоплению, заболачиванию, вторичному засолению почв, коррозии металла и бетона.

Резкое повышение уровня грунтовых вод происходит при строительстве сооружений гидроузлов, водохранилищ и ирригационных каналов. Изменение уровня грунтовых вод наблюдается как в период наполне-

ния, так и при эксплуатации водохранилища. Наполнение водохранилища - процесс, который длится обычно в течение нескольких лет и сопровождается изменением условий питания и химического состава грунтовых вод в пределах той или иной береговой зоны. Скорость наполнения водохранилища до проектной отметки, гидрологический режим поверхностных вод, гидрогеологические особенности территории, величина создаваемого подпора и другие факторы влияют на высоту и скорость подъема уровня грунтовых вод. Зона влияния крупных водохранилищ прослеживается на десятки километров.

Например, Волгоградское водохранилище оказывает огромное влияние на геологическую среду прилегающих к нему территорий. Изменение гидрогеологических условий в береговых зонах вследствие подпора привело к резкому повышению уровня подземных вод в обширной зоне, на отдельных площадях достигнув критической глубины, при которой начинаются процессы испарения и засоления почв. Ширина зоны влияния Волгоградского водохранилища составляет 20-25 км, подъем уровня грунтовых вод в береговой полосе - до 15-20 м. В связи с созданием водохранилища активно развивается процесс переработки его берегов, особенно сильный в лессовых породах (при средней скорости 2-3,5 м/год). В период весенних паводков в зоне влияния водохранилища наблюдается затопление населенных пунктов. Граница затопления в 1994 г. достигла отметок 10 % обеспеченности [3, с. 130].

В пределах Нижнего Поволжья участки распространения хвалын-ских шоколадных глин в значительной степени подвержены оползневым процессам, которые наиболее интенсивно проявляются в долинах рек на уступах террас. Оползневые массы сначала служат своего рода контрфорсом, быстро размываются, что приводит к нарушению равновесия подмываемого берега и порождению новых оползней. Так, участок Волгоградского водохранилища от г. Волгограда до устья р. Еруслан за 8 лет переработан на 112 м [4].

В зависимости от природной обстановки влияние одних и тех же факторов, определяющих режим подземных вод, может быть первичным -основным или второстепенным, поэтому при изучении изменения режима грунтовых вод необходимо выявлять количественное соотношение приходных и расходных элементов баланса. Повышение уровня грунтовых вод на урбанизированных территориях свидетельствует об изменении существовавшего ранее водного баланса, т. е. приходных элементов водного баланса над расходными. В связи с развитием процессов подтопления на застроенных территориях происходит формирование искусственного режима грунтовых вод. Основными причинами подтопления территории при строительстве являются: изменение условий поверхностного стока при вертикальной планировке и засыпке естественных дрен, в результате чего затрудняется водообмен поверхностных и грунтовых вод, утечки из временных коммуникаций; накопление поверхностных вод в строительных котлованах и траншеях.

Резкий подъем уровня грунтовых вод и формирование искусственного режима грунтовых вод наблюдаются на участках эксплуатации крупных промышленных предприятий, потребляющих и сбрасывающих большое количество воды. Развитие густой сети инженерных коммуникаций, плотность застройки отдельных промышленных площадок, уменьшение площади естественного испарения, неисправность ливневой сети, утечки из водонесущих коммуникаций и интенсивный полив деревьев способствуют повышению уровня грунтовых вод в пределах Астраханского газоперерабатывающего завода и формированию купола подтопления территории. В настоящее время на большей площади I очереди завода глубина залегания уровня грунтовых вод составляет менее 1,0 м, а на II очереди в среднем 2,5 м [5].

До строительства завода в 1981-1982 гг. уровень грунтовых вод был вскрыт скважинами на глубинах 2,3-7,6 м в диапазоне абсолютных отметок -21,82...-24,02 м и приурочен к эоловым современным и морским хвалын-ским отложениям. Водовмещающими являются пески, водоупором - хвалын-ские и хазарские глины; региональным водоупором - нижнечетвертичные бакинские глины. Минерализация грунтовых вод составляла 1,7-45,6 г/л до строительства завода, воды агрессивны по отношению к бетону. В октябре 1987 г. уровень воды на территории завода находился на отметке -19,0 м, а в ноябре 1988 г. на вершине сформировавшегося купола он имел отметку -18,0 м - т. е. происходит самоподтопление завода [3, с. 162].

Под влиянием длительного увлажнения могут меняться физикомеханические свойства грунтов, их прочностные и несущие способности, особенно в районах с широким развитием засоленных грунтов, что может привести к просадкам грунтов и деформациям сооружений на площадках Астраханского газоконденсатного комплекса. Нарушение естественного режима подземных вод приводит к существенным изменениям их гидродинамических характеристик: скорости фильтрации, напора, градиента потоков, химического состава и температуры.

Таким образом, в результате воздействия на геологическую среду происходит возникновение новой геологической и гидрогеологической обстановки. Проблема прогнозирования возможных изменений инженерно-геологической обстановки в зонах хозяйственного освоения территории усугубляется тем обстоятельством, что они охватывают площади несравненно большие, чем территории, занимаемые этими объектами. Необходимо также учитывать и тот факт, что данные процессы могут проявляться не сразу и часто растянуты во времени. Под влиянием техногенных факторов в определенных природных условиях происходит превышение приходных частей баланса над расходными, что приводит к подтоплению территорий и ухудшению инженерно-геологической обстановки.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Коробкин В. И., Передельский Л. В. Инженерная геология и охрана окружающей среды. - Ростов н/Д.: Изд-во РГУ, 2003. - С. 263.

2. Геоэкологическая характеристика Астраханской области / Б. И. Кочуров, Н. И. Воронин, Н. Н. Гольчикова и др.; Под ред. Н. И. Воронина, Н. Н. Голь-чиковой. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - С. 17.

3. Синяков В. Н., Кузнецова С. В., Николаев Ю. П. Эколого-геологические исследования солянокупольных бассейнов. - Астрахань: ООО «ЦНТЭП», 2001. - 220 с.

4. Инженерная геология СССР: В 8 т / Под ред. Е. М. Сергеева. - Т. 1. - М.: Изд-во МГУ, 1978. - С. 429.

5. Спирин В. П., Кутлусурина Г. В., Бессарабова Т. Д. Виды защитных мероприятий по снижению техногенного воздействия на основания зданий и сооружений // Разведка и освоение нефтяных и газоконденсатных месторождений: Науч. тр. АстраханьНИПИгаз. - Астрахань: ИПЦ «Факел» ООО «Астра-ханьгазпром», 2001. - С. 244.

Получено 30.10.2006

THE INFLUENCE OF GROUND WATER LEVEL CHANGE ON ENGINEERING AND GEOLOGICAL SITUATIONS OF THE LOWER VOLGA

Zh. V. Kalashnik

Characteristics and structure of ground can change fundamentally depending on the industrial work technology and exploitation regime of the subject. They may cause the processes that have not occurred before on the given territory, and they can change engineering and geological, hydrogeological conditions, temperature rate and become the reason of underflooding of the territory. Taking into account engineering and geological investigations aimed at projection, building and accident-free exploitation of living and industrial objects, the forecasting of ground water level change is an important condition in engineering and geological value of the territory. The increase of ground water level on the urbanized territories is the evidence of water balance change existed earlier, i. e. the prevalence of coming elements of water balance over expended ones. The damage of natural order of underground water brings to essential changes of its hydrodynamic characteristics such as: speed of filtration, water head, flows’ gradients, chemical contents and temperature. Thus, as a result of geological environment influence new geological and hydrogeological environment appears.