Техногенное подтопление как фактор, влияющий на стабильное функционирование городов

ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ

УДК 624.131.1

B.К. ПОПОВ, докт. г.-мин. наук, профессор,

C. В. СЕРЯКОВ, аспирант

ТЕХНОГЕННОЕ ПОДТОПЛЕНИЕ КАК ФАКТОР, ВЛИЯЮЩИЙ НА СТАБИЛЬНОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГОРОДОВ

Представлена сравнительная оценка проблем техногенного подтопления как интегрального показателя, влияющего на стабильное функционирование городов. Рассмотрены концептуальные подходы решения вопросов техногенного подтопления при осуществлении градостроительной деятельности.

Проблема подтопления городских территорий возникла давно, уже в конце XIX столетия в литературе появились публикации о влиянии строительства на изменение гидрогеологических условий застраиваемых территорий.

В настоящее время процесс подтопления застроенных территорий подземными водами принял в России массовый характер и стал угрожать стабильному функционированию городов страны. Инженерная защита от подтопления городских территорий всё больше приобретает первостепенное значение для большинства городов России. Если не принимать никаких мероприятий по устранению подтопления городской территории, то не исключена возможность формирования чрезвычайной геоэкологической ситуации, которая потребует в последующем принятия неотложных мероприятий для ликвидации последствий. Подтопление подземными водами вызывает:

1) обводнение грунтов часто вызывает аварийные деформации зданий и сооружений, что ведет к разрушению конструктивных элементов инженерных сетей, способствует формированию капиллярного увлажнения не только грунтов зоны аэрации, но и каменных конструкций вследствие действующего при этом капиллярного подсоса вплоть до второго этажа, а в итоге заметно ухудшаются социальные и экологические условия города;

2) повышение агрессивности подземных вод вследствие происходящих изменений их химического состава и коррозионной активности грунтов по отношению к материалу заглубленных конструкций и подземных городских коммуникаций;

3) затопление траншей инженерных сетей провоцирует аварии, вызывает дополнительные утечки, а следовательно, дополнительную подпитку подземных вод;

4) затопление подвалов и заглубленных помещений, в результате которого происходят осыпание штукатурки, появление в зданиях недопустимой для сохранности материала и эксплуатации сооружений влажности (воздуха и стен), грибковых образований; формирование благоприятной среды для развития комаров и заболеваний людей; ухудшение социально-эпидемиологической обстановки; затопление траншей подземных коммуникаций, что резко осложняет условия эксплуатации и проведение ремонта систем водо-, тепло-, электро- и газоснабжения, интенсифицирует их износ и вызывает необходимость выполнения преждевременного ремонта.

При подтоплении территории и фундаментов зданий химический состав вод техногенного горизонта и верховодок, наряду с суточными колебаниями температуры, вызывает разрушительный для конструкций процесс выветривания. Отсутствие горизонтальной гидроизоляции во многих зданиях и сооружениях города не предохраняет их от капиллярного подсоса влаги по конструкциям, ведет к значительному ухудшению влажностного режима помещений.

Высокая предзимняя влажность грунтов, их гидрофильность и наличие потока влаги (в процессе тепло-влагопереноса) к промерзающему грунту в инженерно-геологических условиях Томска значительно усиливает процесс температурных деформаций строительных конструкций и оснований (морозное пучение). Это интенсифицируется высоким стоянием уровней грунтовых вод и верховодок.

Вышесказанное диктует необходимость организации в самое ближайшее время системы комплексной защиты территории города от подтопления и его неблагоприятных последствий.

Территория г. Томска по климатическим, геоморфоскульптурным условиям является потенциально подтопляемой, однако исследования по изучению этой проблемы были проведены впервые в 1981-1988 гг.

Принимая во внимание складывающуюся в стране ситуацию, в 1996 г. вышло Постановление Правительства РФ «О мерах по защите от подтопления территорий Российской Федерации» (№ 306 от 21 марта 1996 г.).

В декабре 1996 г. вышло предписание Минстроя России, в котором рекомендовалось незамедлительно приступить к разработке территориальных программ по решению этой проблемы и, в первую очередь, к созданию генеральных схем инженерной защиты территорий от опасных природных и тех-но-природных процессов, которые должны быть основой для подготовки (корректировки) всех других видов градостроительной документации.

С 1993 г. при поддержке мэрии г. Томска Институт проблем ЖКХ начал заниматься изучением условий и факторов, влияющих на формирование подтопления городской территории.

В ходе работ Институтом проблем ЖКХ были составлены схемы инженерной защиты территории города и отдельных объектов от подтопления на картографической основе масштаба 1:2000. Такие схемы были разработаны

для микрорайонов Каштак, Солнечный, Черемошники, а также Иркутский тракт, Кировского района.

Исследованиями было установлено, что причинами развития процессов подтопления данных районов является нарушение ранее сложившегося динамического равновесия в водном балансе подземных вод четвертично-палеогеновых отложений, обусловленное влиянием комплекса естественных и техногенных факторов, возникающих как на стадии строительства, так и в процессе эксплуатации городской инфраструктуры, зданий и сооружений.

К основным причинам возникновения подтопления относятся, во-первых, производственная мощность в результате хозяйственной деятельности человека, во-вторых, несовершенство используемых технологий.

К последствиям подтопления можно отнести:

- деформации зданий и сооружений;

- разрушения подземных сооружений и коммуникаций;

- теплопотери из теплотрасс вследствие ухудшения условий эксплуатации коммуникаций;

- загрязнение подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевых целей;

- загрязнение поверхностных водотоков и водоемов;

- ухудшение санитарно-эпидемиологической обстановки.

Территория г. Томска по физико-географическим, геологическим и гидрогеологическим условиям является потенциально опасной по развитию экзогенных процессов. При техногенном воздействии на эту территорию ускоряется развитие существующих процессов изменения геологической среды, кроме этого, появляются новые. Основными техногенными причинами развития процессов подтопления являются: инфильтрация сточных вод из различных накопителей и отстойников производственных стоков, аварийные утечки из водопроводных и канализационных сетей, нарушение при свайном строительстве условий подземной гидросферы (барражный эффект). В городской черте регулярно появляются участки земли, затопленные водой [9].

Так, например в мкр. «Каштак» проблема подтопления приобрела приоритетное значение, создавая не только дискомфорт в условиях проживания, но и угрожая жизни и здоровью людей. Последствиями подтопления является развитие других опасных инженерно-геологических процессов (оползни, пучение, суффозия, деформация грунтов оснований и др.), вызывая угрозу физической сохранности зданий и сооружений. Последствия подтопления очень серьезны и требуют неотложных специальных инженерно-защитных мероприятий [2]. Главное необходимо, в первую очередь, устранить причину развития этих опасных инженерно-геологических процессов, т.е. подтопления.

Одной из основных причин развития процессов подтопления является нарушение ранее сложившегося динамического равновесия в водном балансе подземных вод четвертично-палеогеновых отложений. Многообразие факторов, способствующих развитию подтопления, подразделяется на прямые (активные) и косвенные (пассивные), которые могут быть или естественными, или искусственными. Схема основных факторов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Факторы и условия формирования подтопления г. Томска

Большую роль в развитии подтопления играют пассивные (природные) факторы, объединившие в себе климатические, геоморфологические, геологолитологические и гидрогеологические условия территории. Техногенные факторы активизируют увеличение инфильтрационных сопротивлений грунтов верхней части разреза за счет значительных нагрузок от зданий и сооружений, барражирование подземного стока в результате забивки сплошных свайных полей на глубину 8-12 м. Последствиями этого стало нарушение ранее сложившегося динамического равновесия в водном балансе подземных вод четвертично-палеогеновых отложений. Изменение этого равновесия привело к прогрессирующему развитию техногенного питания, созданного в результате потерь на водонесущих коммуникациях застроенных территорий, вызвавшее повышение уровня грунтовых вод либо формирование техногенных вод в первоначально сухих грунтах [12].

Для территории микрорайона Каштак существовала естественная дренажная система, и при естественном инфильтрационном питании до 200 мм/год она обеспечивала дренируемость всей территории. После застройки горы Каштачной современными многоэтажными зданиями большая её часть стала относиться к району с затрудненными условиями дренированно-сти и высокой степенью потенциальной подтопляемости. В данный момент эти показатели составляют 1300-1500 мм/год. По данным ИП ЖКХ, было ус-

тановлено, что на водонесущих коммуникациях (водопровод, канализационные сети) потери воды составляют 19246 м3/сут. Потери воды на сетях, рассчитанные по нормативным значениям утечек на 1 км сети, составляют 4340,142 м3/сут (по всем водонесущим коммуникациям) и 3436,8 м3/сут по водопроводам и канализационным сетям. Сопоставляя полученные данные, видим, что фактические потери превышают нормативные почти в 6 раз [3].

Рассматривая проблему техногенного подтопления, обратим своё внимание на надежность эксплуатации канализационных систем, которая способна повлиять на величину дополнительного инфильтрационного питания.

Надежность эксплуатации канализационных систем зависит от различных техногенных и природных факторов и условий их функционирования, которые значительно уменьшают фактический срок их эксплуатации и снижают нормативные показатели надежности данных систем. Одним из основных факторов, влияющих на состояние этих систем, являются сточные воды промышленного происхождения. Существующая нормативная база амортизационных исчислений сроков службы канализационных трубопроводов и насосного оборудования не учитывает региональных особенностей их эксплуатации. Производственные сточные воды содержат органические и минеральные загрязнения, вид которых зависит от характера производства и технологических процессов, применяемых на предприятиях. Сточные воды оказывают отрицательное влияние на фактический срок службы канализационных систем, снижают надежность их эксплуатации, в результате чего увеличивается количество аварий на сетях, количество капитальных ремонтов. Экономический ущерб, создаваемый сточными водами, определяется затратами на устранение аварий, повреждений, превышением фактической стоимости капитальных ремонтов над нормативной стоимостью [4, 7, 9].

Таким образом, влияние площадной застройки, надежности эксплуатации инженерных коммуникаций сказывается на изменении влажности грунтов за счет нарушения процессов тепло- и влагопереноса грунтов в зоне аэрации. За счет сокращения интенсивности испарения повышается содержание влаги в грунтах, которая, достигая зоны полного насыщения, подпитывает грунтовые воды, тем самым также вызывая повышение их уровня.

То, что здания и сооружения создают благоприятные условия для образования под ними конденсатных вод, подпитывающих грунтовые воды, установлено натурными исследованиями: наименьшая влажность грунта в зоне аэрации наблюдается на незастроенной территории, по мере приближения к застроенной территории влажность грунтов увеличивается, а наибольшее количество влаги содержится в грунтах у зданий, независимо от сезонов года и количества выпавших осадков.

Проанализировав полученные в ходе многократных исследований данные, пришли к выводу, что дальнейшее повышение уровня разгрузки приведет к эрозии нижней части склона, сложенного легкоразмываемыми супесчаными породами. Это вызовет нарушение естественного равновесия всего склона, что приведет:

- к возникновению и активизации опасных природных и техноприрод-ных процессов (просадки, оползни, суффозия, набухание);

- изменению физико-механических, прочностных и деформационных свойств грунтов;

- затоплению подземных сооружений и коммуникаций;

- трансформации химического состава подземных вод, ускорению миграции компонентов-загрязнителей в плане и в разрезе.

Поэтому нами предлагается создание вертикальной дренажной системы на линии разгрузки подземных вод дренажного горизонта в виде линейного ряда из десяти скважин. Такой системой решаются сразу две проблемы: ликвидируется разгрузка подземных вод на поверхность первой надпойменной террасы и не допускается повышение уровня разгрузки подземных вод палеогеновых отложений на склоне третьей надпойменной террасы [5, 6].

Иными словами, «в тылу» микрорайона Черемошники находится крутой склон третьей надпойменной террасы, т.е. Каштачная гора, из-под которой почти круглый год вытекают воды, вызывая затопление района.

Микрорайон Черемошники характеризуется естественной природой подтопления, зависящего, во-первых, от климатического фактора, но основной причиной подтоплений являются особенности геологического развития территории, результатом которого и стала эрозийно-тектоническая впадина. Именно здесь - в низкой пойме реки Томи - расположился данный жилой район. Немаловажную роль в развитии паводковых процессов играют изменения уровня реки Томи. В весенне-летний и осенний периоды вода в Томи поднимается на 6-7 м. Это вызывает подъем грунтовых вод на 5-6 м, и территория микрорайона оказывается подтопленной. Геологическую «опору» Че-ремошников составляет толща (более 100 м) рыхлых отложений, пропитанная водой, как губка. Подземные воды здесь располагаются в непосредственной близости от поверхности [4, 12].

Но большую часть проблем микрорайона, как показывают исследования Института проблем ЖКХ, решить можно. С января 2003 г. Институт совместно с ОАО «Томскагропромпроект» и департаментом дорожного строительства, благоустройства и транспорта мэрии города Томска начали выполнять первоочередные мероприятия по инженерной защите территории Черемошников. Институтом разработана проектно-сметная документация для проведения капитального ремонта ливневой канализации по ул. Героев-Чубаровцев, переулкам Зырянскому и Ангарскому; обустройству и капитальному ремонту открытых дренажей всего микрорайона; расчистке берегов и понижению русловой части системы озера Керепеть, а также капитальный ремонт шлюза и насосной станции на озере. Общая сметная стоимость строительных работ составляет 25 миллионов рублей. Часть работ уже выполнена: введены в эксплуатацию открытые дренажи и ливневая канализация по ул. Героев-Чубаровцев, выполнены и предусмотренные проектом работы на озере Керепеть.

Однако данные мероприятия - борьба со следствиями подтопления микрорайона. Для кардинального решения проблемы подтопления этого района необходимо построить горизонтальный дренаж, водные канавы вдоль Каштачной горы, позволяющие «перехватить» подземные воды. Для общего снижения уровня подземных вод на территории микрорайона необходимо строительство сопутствующих дренажей при возведении всех водонесущих

коммуникаций (ливневой и хозяйственно-бытовой канализации, водопровода и теплотрассы) При строительстве зданий и сооружений следует закладывать пластовые, пристенные и кольцевые дренажи. Тем самым, реализация данных мероприятий послужит залогом стабильного развития и функционирования г. Томска.

Библиографический список

1. Игнатов, В.Г. Экология и экономика природопользования / В.Г. Игнатов, А.В. Кокин, 2003. - 418 с.

2. Информационный бюллетень о состоянии геологической среды на территории Томской области за 1997 г. / В.А. Льготин [и др.]. - Томск : ТЦ Томскгеомониторинг, 1998. - 126 с.

3. Покровский, Д.С. Анализ режима работы Томского водозабора из подземных источников и рекомендации по его оптимизации: отчет о НИР (закл.) / Д.С. Покровский, В.А. Коробкин // ИП ЖКХ. - Томск, 1995.

4. Попов, В.К. Проведение работ по созданию мониторинга природных вод Обь-Томского междуречья: отчет о НИР (промеж.) / В.К. Попов, В.А. Коробкин // ИП ЖКХ. - Томск, 1993. - 261 с.

5. Попов, В.К. Оценка защищенности пластовых вод Обь-Томского междуречья от загрязнения и разработка рекомендаций по безопасному водопользованию / В.К. Попов, О. Д. Лукашевич, Н.М. Максимова // Геоэкология. - 1997.-- № 6. - С. 38-42.

6. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях. - М. : Справочное пособие к СНиП, 1991. - 272 с.

7. Серяков, С.В. Управление инженерной инфраструктурой в рамках экологизации городского хозяйства / С.В. Серяков // Проблемы ресурсов и геоэкология. - Пенза, 2006 - 79 с.

8. Серяков, С.В. Экологизация систем жизнеобеспечения / С.В. Серяков // Вестник ТГАСУ. - Томск, 2006 - 74 с.

9. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - М. : Стройиздат, 1985. - 36 с.

10. Тетиор, А. XXI век - век создания экологичной среды обитания / А. Тетиор // Строительная газета. - 2005. - № 20.

11. Фомин, В. М. Оценка изменений гидрогеологических условий под влиянием производственной деятельности / В. М. Фомин. - М. : Недра, 1978. - 246 с.

12. Хотунцев, Ю.Л. Экология и экологическая безопасность / Ю.Л. Хотунцев. - 2003. - 325 с.

V.K. POPOV, V.A. KOROBKIN, S.V. SERYAKOV

TEHNOGENIC UNDERFLOODING AS FACTOR INFLUENCING UPON STABLE FUNCTIONING OF CITIES

Comparative estimation of the problems of technogenic underflooding as integral factor influencing upon stable functioning of city is presented in the paper. Conceptual approach to the decision of technogenic underflooding problems at town-planning is considered.