с 08.07.2013 по настоящее время
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов на Дону, Ростовская область, Россия
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
В статье рассмотрена проблема подтопления жилых зданий в центральной части г. Зернограда Ростовской области, приведшего к образованию деформаций основания и несущих конструкций. На основании сбора фондовых материалов и проведения собственных инженерно-геологических изысканий разработана гидрогеологическая модель междуречья Кагальника и Мечетки, на которой изучены процессы геофильтрации при поступлении воды из природных и техногенных источников. На примере здания студенческого общежития Азово-Черноморского инженерного института ДГАУ разработаны мероприятия по борьбе с подтоплением подземной части здания.
подземные воды, численное моделирование, подтопление, планирование эксперимента, локальная инфильтрация, осадка фундамента
Процесс подтопления в Ростовской области охватил как крупные города, так и поселения в несколько десятков тысяч человек. Как правило, причины являются техногенными. Для сдерживания подтопления в каждом случае необходим тщательный анализ всех факторов, определяющих этот негативный процесс.
Исследования грунтовых вод в последние десятилетия показывают, что техногенные процессы в Ростовской области приводят к повышению уровня грунтовых вод и подтоплению ряда населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий [1 – 3]. Это новая геоэкологическая реаль-ность, обусловленная возрастающими масштабами использования пресных вод в жизнедеятельности человека.
Статья инициирована выяснением причин подтопления здания в административном центре Зерноградского района. На примере города Зернограда и Кагальник-Мечетинского междуречья анализируются условия, способствовавшие неуклонному повышению уровня грунтовых вод (УГВ). На основе полученных результатов, предлагаются пути к стабилизации процесса и минимизации получаемого ущерба.
Город Зерноград расположен на водоразделе междуречья рек Кагальник и Мечетка. Абсолютные отметки территории изменяются от +95 до +82 м. Урезы воды рек Кагальник и Мечетка в меридианальном створе города составляют +33 ÷ +35 м.
Геологическое строение. Рассматриваемая территория располагает-ся в пределах Ростовского выступа Восточно-Европейской платформы. Кристаллический фундамент перекрыт морскими отложениями меловой системы мезозоя и кайнозойской группы. Первыми под голоценовыми отложениями залегают легкие светло-коричневые эолово-делювиальные суглинки верхнечетвертичного возраста мощностью 5-8 м. Ниже по разрезу они сменяются тяжелыми нижне- и средне-четвертичными суглинками темно-бурого цвета мощностью до 15-20 м. Подстилающие их отложения неогеновой системы плотными плиоценовыми и миоценовыми глинами, переслаивающимися с известняками и песчаниками. Под ними, на глубинах 70-80 м вскрыты водонасыщенные акчагыльские (N2ak) морские разнозернистые пески мощностью 10-30 м. Далее, при бурении, вскрыты глины акчагыльского яруса (N2ak), а также глины, известняки и песчаники сарматского N1s1 яруса.
Для уточнения и верификации архивных материалов авторами пройдены две скважины в центре города у дома по ул. Тельмана, д.34. Скважина №1 пробурена у восточной стены здания на расстоянии 2,0 м от фундамента (табл.1). От поверхности земли до глубины 3,0 м залегают тугопластичные средние суглинки с плотностью 1,75-1,90 г/см3 и влажностью We= 24-27%. С глубиной они сменяются светло-коричневыми опесчаненными, легкими суглинками (Ip = 9.3-9.8%) с пластичной и мягкопластичной консистенцией.
Таблица 1
Геолого-литологическая колонка, г. Зерноград, ул. Тельмана, д.34
скв.1, абсолютные отметки: устья – 88,0м; УГВ –85,3м
Суглинки полностью насыщены водой (We=30-33%, Sr=0.97-1.02) в интервале глубин 3,0-7,0 м. По результатам гранулометрического анализа с интервала глубин 5,0 м и 8,0 м установлено, что содержание фракций: 2,0-0,5 мм составляет 30-38%; 0,5-0,1 мм – 1-2%; <0,1 мм – 60-68%. Насыщенность грунтов песчаной фракцией объясняет относительно большую водопроницаемость грунтов. Водонасыщенные легкие суглинки подстилаются тяжелыми бурыми суглинками (Ip=14.6-14.7%). Их водопроницаемость с глубиной уменьшается, а вместе с ней и влажность (We =24,5-25,5%), консистенция постепенно изменяется до глубин 8-10 м от тугопластичной к полутвердой. Эти суглинки служат водоупором для грунтовых вод. Таким образом, в зоне аэрации присутствутет водонасыщенный слой мощностью 4÷5 м.
Скважина №2 пробурена у юго-западной стены здания до глубины 14 м. В ней также встречен водоносный горизонт легких суглинков в интервале глубин 3÷7 м. Он подстилается водонепроницаемыми плотными суглинками четвертичного возраста.
Гидрогеологические условия. Особенностью Кагальник-Мечетинского междуречья является наличие межпластового напорного акчагыльского (N2ak) водоносного горизонта. Межпластовые воды встречены в разнозернистых песках. Уровень воды вскрыт на глубинах 70-90 м. Избыточное давление над кровлей водоносного горизонта составляет 20-40 м. Напорные отложения плиоценового возраста относятся к Ростовскому артезианскому бассейну, получают питание со стороны эрозионных врезов Дона, Маныча и Егорлыка. Большая мощность водонепроницаемой кровли исключает возможность взаимодействия напорных и грунтовых вод. Над ней, в зоне аэрации, располагаются легкие опесчаненные суглинки, насыщенные водой и представляющие горизонт грунтовых вод. Это совершенно незначительная по мощности часть (5÷10 м) четвертичных отложений.
Подтопление городской территории. Запасы грунтовых вод в междуречье Кагальника и Мечетки формируются за счет атмосферных осадков, а также расхода от испарения и медленного стока в реки. Скорость движения грунтовых вод крайне низка. В черте города гидравлический уклон составляет I=0,003, преимущественное направление потока в западном направлении. Естественные выходы грунтовых вод в городе проявляются в источниках, прудах, котлованах с абсолютными отметками +88 м на востоке и +79 м на юго-западе.
Территория города благоприятна для развития подтопления в силу нескольких причин: слабопроницаемые суглинки, неглубокое залегание водоупорных неогеновых глин, ограниченный подземный сток. Широкое распространение небольших прудов с земляными плотинами в балках и малых реках в окуржении города приводит к подпору и снижению скорости поверхностных вод. Русла заиливаются, исчезают родники, ухудшается интенсивность оттока подземных вод с наивысших отметок водораздела, на котором расположен город Зерноград. Одной из причин пополнения запасов подземных вод является сельскохозяйственная деятельность. Орошение угодий приводит к подъему уровня грунтовых вод. Из 13294 га пахотных земель Зерноградского района 804 га испытывают подтопление, заболачивание м засоление [1].
Дополнительные источники пополнения запасов подземных вод могут быть только техногенными. Следует отметить, что в центре города мощность водопроницаемых четвертичных отложений составляет всего 5÷10 м и для подъема УГВ к поверхности земли требуются совсем небольшие объемы воды.
Город Зерноград с населением 38 тысяч человек занимает площадь 
12 км2. Источником его водоснабжения являются воды р. Дон, поступающие в объеме 50000 м3/сут по водоводу. Общая длина водопроводных сетей города 115 км, а системы водоотведения – 27 км, водоочистные сооружения перерабатывают лишь около 3 тыс м3/сут [4]. Это означает, что значительная доля сточных вод инфильтруется в толщу грунтов города. Согласно обобщенным данным по потерям воды из водонесущих коммуникаций [5] и их фактической плотностью в районах с центральным водоснабжением, потери воды составляют 150 мм/год.
Оценить критичный для подтопления объем техногенного питания подземных вод можно расчетным путем. С этой целью необходимо учесть объемы пополнения воды в зоне аэрации, а также интенсивность разгрузки горизонта грунтовых вод через овражно-балочную сети, реки и эвапотранспирацию. Наиболее эффективным инструментом для решения подобных задач является цифровое моделирование, учитывающее фильтрационные параметры водоносного горизонта и его граничные условия.
Моделирование потока грунтовых вод Зерноградского района. Концептуальная модель представляет собой безнапорный водоносный пласт песчанистых суглинков, залегающий на слабопроницаемых безводных тяжелых суглинках и, далее, на водонепроницаемых неогеновых глинах. Значение коэффициента фильтрации водоносного горизонта оценивается по характерным в этой местности значениям для легких суглинков Кф=0,7 м/ сут, тяжелых суглинков – 0,35 м/сут. По данным гидрометеостанции п. Гигант (80 км восточнее города Зернограда) среднемноголетнее годовое количество атмосферных осадков за период 1967-2012 гг. составляет 510 мм/год. Следует учесть высокое испарение влаги из-за жаркого лета (июнь-август: 26-29оС), ветренной весны (февраль-апрель) и распределения максимального количества осадков в январе-марте. По этой причине в грунтовые воды инфильтруется только часть атмосферных осадков, объем которых следует уточнить в ходе численного моделирования.
Границами модели служат естественные дрены – реки Мечетка и Кагальник, крупные балки, а также водораздел с восточной границы рассматриваемой территории (рис. 1).
Построение модели геофильтрации. Решение задачи выполнено в программной среде Visual Modflow. Пространство модели охватывает территорию 38 × 18 км2, которая дискретизирована с шагом 125 м в черте города и 500 м за его пределами. Мощность водопроницаемого слоя принята равной 8 м. Абсолютные отметки поверхности Земли и подошвы водоносного горизонта меняются от 80,0 до 20,0 м. Для улучшения сходимости и точности решения толща, подстилающая водоносный горизонт, моделируется как слабопроницаемая и разделена по вертикали на 6 слоев. Цифровые модели поверхности Земли импортированы из опубликованной цифровой карты SRTM (Shuttle radar topographic mission). Модель подошвы водоносного горизонта построена интерполяцией соответствующих абсолютных отметок по данным 159 скважин, пробуренных на территории Зерноградского и Кагальницкого районов. Формирование пространственных границ цифровых моделей выполнено в среде геоинформационной системы QGIS и программы Visual modflow. Северная, южная и западная границы модели совпадают с руслами рек Мечетка и Кагальник с заданием постоянных гидростатических напоров и естественных уклонов потоков (граничное условие «River»). Восточная граница модели совпадает с водоразделом, через который фильтрация воды не происходит. На этой границе задан нулевой расход потока. Динамика грунтовых вод за пределами указанных границ не влияет на баланс подземных вод рассматриваемой территории. Крупные балки реализованы на модели, как граничные условия «Drain», поглощающие воду при увеличении гидростатического напора в водоносным горизонте до абсолютных отметок тальвегов балок (рис.1).
Решение задачи геофильтрации выполняется в два этапа. На первом, для безнапорного водоносного горизонта, уточняется положение УГВ при стационарном режиме фильтрации и среднемноголетнем количестве атмосферных осадков, достигающих грунтовых вод. В качестве критерия правильности решения задачи принята глубина УГВ, установившаяся в городе к 1970 годам – 12÷15 м. Расчетные значения УГВ используются на втором этапе, как исходные условия для решения задачи в нестационарной постановке. Далее, имитируется дополнительное питание за счет утечек из водопровода и оценивается реакция уровня грунтовых вод для оценки интенсивности и длительности техногенного поступления воды, достаточных для формирования подтопления.
- УГВ, сложившаяся до начала централизованного водоснабжения города Зернограда реконструируется решениями, учитывающими природные условия геофильтрации: инфильтрацию атмосферных осадков и разгрузку подземных вод в балки и реки. Расчеты выполнены для водоносного горизонта с Кф= 0,7 м/ сут, водоотдачей m=0,2, объемом инфильтрации атмосферных осадков 25 мм/год (параметр «Recharge»). Для слабопроницаемых слоев модели приняты Кф=0,35 м/ сут и m=0,2. Объемы инфильтрации рассчитаны по результатам калибровки модели методом решения обратных задач. Низкая величина инфильтрации при среднегодовом количестве осадков 500 мм/год объясняется засушливым климатом, ландшафтом, глубиной УГВ и мощностью грунтов. Согласно исследованиям [6], ее доля составляет 10-12% от количества атмосферных осадков. При уменьшении глубины УГВ до 2÷4 м инфильтрация сменяется их эвапотранспирацией.
Для снижения неопределенности в идентификации фильтрационных параметров исследована чувствительность получаемых расчетов к вариациям исходных данных. Анализ выполнен методом планирования экспериментов, позволяющим оценить степень воздействия факторов на динамику геофильтрации.
Исследовалось влияние водопроницаемости водоносного горизонта, коэффициента фильтрации подстилающего слоя и интенсивности инфильтрационного питания в соответствии с планом полного факторного эксперимента (ортогональный, ротатабельный план 23). По результатам восьми численных экспериментов на геофильтрационной модели рассчитаны коэффициенты регрессионного уравнения (1), выражающие направление и силу влияния указанных факторов на положение УГВ в центре города. В коэффициентах не смешивается влияние факторов в силу конструкции плана экспериментов.
у = 75,466 – 0,019 x1 – 0,459x2 + 1,289x3 (1)
x1 – коэффициент фильтрации 1-го слоя; x2 – коэффициент фильтрации суглинков 2-7 слоев; x3 – величина инфильтрации воды в грунт; у – абсолютные отметки УГВ в центре города (ул. Тельмана, д.34).
Анализ уравнения (1) показывает, что гидродинамика в водоносном горизонте испытывает наибольшее влияние от объема инфильтрационного питания (x3). Меньшее воздействие оказывает водопроницаемость тяжелых суглинков, подстилающих водоносный горизонт (х2), а фильтрационные свойства самого водоносного горизонта (х1) практически не сказываются на интенсивности водообемена. Причина заключается в его незначительной мощности, предельно снижающей его участие в водном балансе района. При бурении скважин выяснилось, что тяжелые суглинки почти безводны. Однако они участвуют в процессе геофильтрации, обеспечивая взаимодействие подземных вод с речной сетью и овражно-балочной системой в контексте всей площади, ограниченной моделью. Результаты показывают, что инфильтрационное питание от города существенно повлияет на динамику УГВ.
По результатам моделирования приняты следующие значения параметров: Кф 1-го слоя – 0,7 м/ сут, Кф 2-7 слоев – 0,3 м/ сут, инфильтрационное питание, W – 25 мм/год.
Расчетные значения гидроизогипс для стационарного режима фильтрации представлены на рис. 2, из которого видно, что поток подземных вод с незначительным уклоном движется с восточной стороны к городу и далее, растекается в трех направлениях к речным долинам.
Дальнейшее моделирование выполнялось для оценки изменения УГВ на протяжении 20 лет при условии дополнительного инфильтрационного питания территории г. Зернограда. Предварительно, потери городской воды оценены c учетом рекомендаций [5] в объеме 5% (2500 м3/сут) от общего водопотребления (50000 м3/сут). Они имитировались в модели локальной инфильтрацией 140 мм/год. По расчетам, через двадцать лет после начала техногенной инфильтрации, УГВ в центре города установился на глубине ~5 м (рис.3).
Выполненное далее имитационное моделирование позволило определить влияние на подтопление предельных вариантов утечек воды в грунты. Так на рис. 4, 5 показаны положения УГВ при двух значениях дополнительной техногенной инфильтрации: 1700 м3/ сут и 3500 м3/сут. Результаты показывают, что из-за малой мощности водоносного горизонта городская среда весьма чувствительна к количеству поступающей воды.
При инфильтрации воды в объеме 100 мм/год ( 1700 м3/сут) УГВ устанавливается на глубине 6,9 м, при увеличении объема поступающей воды до 140 мм/год (≈2500 м3/ сут) развивается подтопление в течение 5-7 лет, а при дополнительном питании 200 мм/год (≈3500 м3/сут) возможно появление воды на поверхности земли.
Согласно расчетам, объемы техногенного инфильтрационного питания составляют 170 мм/год или ≈3000 м3/ сут, что эквивалентно 6% потерь воды из водонесущих коммуникаций. Однако потери воды возможно больше, поскольку часть воды испаряется в ходе эвапотранспирации.
По результатам нивелирования (рис. 6) установлено, что на фоне общего подъема УГВ, в районе обследуемого здания сформировалось незначительное превышение УГВ (до 0,20 м), что является признаком локального пополнения запасов подземных вод из-за потерь стоков в его системе водоотведения
В ходе обследования конструкций здания выявлен ряд признаков, указывающих на отклонения от нормативного состояния. Они проявляются в образовании трещин. Из-за нарушения системы водоотведения атмосферных вод частично разрушены кирпичи и цементный камень кладки. Дополнительно к этому элементы кладки юго-восточного крыла разрушаются из-за потерь воды в санузлах здания (рис. 7).
Однако замачивание стен не является единственной причиной нарушения конструкции здания. Результаты обследования физико-механических свойств грунтов, выполненные по двум скважинам, указывают на более высокие значения влажности, большую пластичность и сжимаемость образцов у юго-восточного крыла по сравнению с юго-западной частью здания. Следовательно, потери воды в санузлах и высокое положение УГВ из-за подтопления города являются критичными для конструкции здания. Из-за близкого положения уровня грунтовых вод, незначительной мощности водоносного горизонта (4-5 м) даже незначительное поступление воды в грунт наносит ущерб зданию.
Снижение несущей способности грунтов повлекло осадку юго-восточного угла здания. Направление и характер распределения трещин иллюстрирует оседающее движение угла здания (рис. 7, 8). В кирпичной кладке видны наклонные и ветвистые трещины, которые проявляются при снижении прочности конструкции и неравномерной осадке ее фрагмента. Для укрепления стен оконные проемы в этой части здания были заложены на четырех этажах кирпичом для усиления прочности конструкции. Вместе с тем, из-за осадки нижних этажей восточного крыла, остающаяся стабильной западная часть здания испытывала дополнительные растягивающие напряжения, характерные для консольных элементов конструкций. Конструкция здания не рассчитана на подобные напряжения. Его реакция проявилась в нарушении сплошности перекрытий 4 и 5-го этажей южной стороны корпуса (рис. 7). В северной части здания трещины проявились в центре стены, поскольку очаг оседания фундамента смещен в юго-восточное крыло.
Таким образом, в подтоплении здания и формировании деформаций участвуют два техногенных фактора: общее подтопление города и локальные потери воды в самом здании. На момент обследования подвальные помещения затоплены водой. Следует отметить, что увеличение диаметра сформированного купола УГВ приведет к снижению несущей способности грунтов под центральным и западным фрагментами здания. Система трещин распространится по 1-му и 2-му этажам в западном направлении с нарушением сплошности конструкции у кровли; получит развитие капиллярное увлажнение стен с формированием сырости и плесени на стенах и обрушением штукатурки.
Главным шагом, обеспечивающим дальнейшую безопасную эксплуатацию здания, является удаление воды от фундаментов здания. Это может быть обеспечено следующими мерами.
1. Сооружение системы перехвата подземных вод у здания в виде кольцевого дренажа. Это решение связано с техническими сложностями исполнения из-за наличия подземных коммуникаций, необходимости заглубления дренажных труб с учетом их радиуса влияния, на глубину до 8-10 м и эксплуатации постоянно работающих насосов.
2. Сооружение шпунтового ограждения создаст водонепроницаемый экран, препятствующий поступлению воды. Современные технологии позволяют заглубить шпунт в тяжелые водонепроницаемые суглинки на глубину 10 м и исключить доступ воды к фундаменту здания. Необходимо отметить, что продолжающиеся потери воды из водонесущих коммуникаций здания могут провоцировать затопление пространства, огражденного шпунтовой стенкой и потребуется откачка воды из оборудованного зумпфа в подвале. Однако объемы случайных и контролируемых потерь воды в здании значительно меньше неотвратимого притока со стороны водоносного горизонта.
3. Понижение свободной поверхности грунтовых вод путем откачки их из подвала здания. При этом уровень воды должен поддерживаться насосом на
2-3 м ниже подошвы фундамента для обеспечения отвода капиллярных вод. В этом случае образуется понижение УГВ в виде депрессионной воронки, радиус которой зависит от водопроницаемости грунтов и начального гидростатического напора. Ориентировочное его значение, рассчитанное по формуле Кусакина, составляет 4÷5 м. Дополнительные расчеты выполнены на модели для коэффициента фильтрации Кф=0,6 м/сут и установившегося режима движения подземных вод. При низкой водопроницамости грунтов кривизна депрессионной поверхности высока и понижение УГВ в одной точке подвала на 2,0 м не обеспечивает эффективный отвод капиллярных вод от фундамента и не охватывает полностью его контур.
4. Критически важным является устранение всякой возможности потери воды из самого здания. Ущерб, получаемый зданием от самозатопления, значительно больше затрат на санацию системы водоотведения.
5. Отведение атмосферных осадков должно быть обеспечено исправностью водосточных труб, их водоприемных частей, а также целостностью отмостки у стен.
6. Независимо от реализации перечисленных выше технических мероприятий необходимо организовать систематический мониторинг положения уровня воды в подвале. Подобные действия позволят более точно оценить складывающийся водный баланс, что необходимо для успешной реализации защитных мер.
Заключение. Территория Зерноградского района расположена в междуречье Кагальника и Мечетки в условиях засушливого климата. Питание грунтовых вод осуществляется за счет атмосферных осадков. Водоносный горизонт представлен опесчаненными легкими суглинками мощностью 5-8 м и располагается на глубине 3-4 м от поверхности земли с минимальными гидравлическими уклонами. Анализ разработанной численной гидрогеологической модели территории междуречья показывает, что в формировании ее водного баланса определяющую роль играет инфильтрационное питание. Незначительное увеличение его объемов прямо отражаются на подъеме УГВ. Менее двух десятилетий достаточно, чтобы незначительная доля техногенных потерь воды нанесла ущерб жилищно-коммунальному хозяйству города. Предельно высокое положение УГВ приводит к уменьшению несущей способности грунтов, неравномерным осадкам фундаментов и деформациям зданий. В борьбе с подтоплением приоритетными мерами являются усилия по максимальному снижению потерь воды из водонесущих коммуникаций, как общегородского назначения, так и отдельных объектов промышленного и гражданского строительства.
1. Семенцов М.Н., Калинин А.А. Мониторинг подтопленных земель ФГУП «Экспериментальное» Зерноградского района Ростовской области// Современная наука и практика. - 2016. - №9(14). - С. 19 - 21.
2. Никаноров А.М., Барцев О.Б., Барцев Б.О. Техногенное подтопление на территории юга России в Ростовской области // Известия РАН. Серия географическая. - 2009. - №1. - С.1-11.
3. Опыт и перспективы реструктуризации и развития угольной промышленности стран Евросоюза и СНГ/ А.Е. Воробьев, А.Ю. Прокопов, Г.В. Лоцев, К.К. Кушеков. - Новочеркасск: Лик, 2011. - 396 с.
4. Об утверждении Программы территориального развития муниципального образования «Зерноградский район». Решение собрания депутатов Зерноградского района от 15.04.2009 г. http://pandia.org/text/78/338/1519.php
5. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях/ Комплекс. н-и и констр.-технолог. ин-т водоснабжения, канализации, гидротехн. сооружений и инж. гидрогеологии. - М.: Стройиздат, 1991. - 272 с. (Справочное пособие к СНиП 2.06.15-85)
6. Гриневский С.О., Новоселова М.В. Закономерности формирования инфильтрационного питания подземных вод // Водные ресурсы, 2010, том 37, № 6, С. 1-12
