МЕТОДИКА ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ЮГЕ РОССИИ, СЛОЖЕННЫХ «САМОПРОСАДОЧНЫМИ» ЛёССАМИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 624.131.1

МЕТОДИКА ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКОИ ОЦЕНКИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ЮГЕ РОССИИ, СЛОЖЕННЫХ «САМОПРОСАДОЧНЫМИ» ЛЁССАМИ

© 2009 г. В.И. Коробкин, Е.В. Нариманянц

Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, Ростов н/Д, 344090, dek_geo@sfedu.ru

Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, dek_geo@sfedu.ru

Предложена методика оценки эколого-геологических условий урбанизированных лёссовых территорий с использованием площадного критерия оценки устойчивости геологической среды техногенно измененных лёссовых массивов по динамике просадочно-сти при обводнении их в результате подъема уровня грунтовых вод. Методика разработана на примере г. Волгодонска Ростовской области.

Ключевые слова: эколого-геологические условия, геологическая среда, урбанизированные территории, лёссовые грунты, просадочность, подтопление, техногенез.

The evaluation technique of ecological and geological conditions of urban loessial territories has been suggested. The territory criterium based on the dynamics of subsidence in loessial systems affected by technogenesis under flooding is used. The flooding is caused by the ground water level rise which has been used for stability evaluation of geological environment. This technique has been developed for the city of Volgodonsk, Rostov Region.

Keywords: ecological and geological conditions, geological environment, urban territories, loessial soils, subsidence, underflooding, technogenesis.

Подъем уровня грунтовых вод на территории города следует рассматривать как стихийно-техногенное воздействие на геологическую среду, вызванное застройкой территории. Обводнение лёссовой геологической среды приводит к возникновению про-садочных процессов, влекущих за собой деформацию зданий и сооружений, что опосредованно оказывает влияние на безопасность жизнедеятельности населения. Поэтому оценка устойчивости геологической среды по потенциальной просадочности в этих условиях - задача эколого-геологическая.

Ярким примером таких территорий является г. Волгодонск, где уровень грунтовых вод начал интенсивно подниматься еще в период нового строительства (70-е гг. ХХ в.) и продолжает подниматься в настоящее время, в том числе и в его селитебной зоне. Именно при изучении эколого-геологических условий этой территории были разработаны предлагаемые ниже методики оценки и прогнозирования изменчивости эколого-геологических условий территорий при обводнении толщи лёссовых просадочных грунтов в результате подъема уровня грунтовых вод (УГВ).

Территория селитебной зоны города сложена преимущественно лёссовой толщей II типа грунтовых условий по просадочности. На большей части территории города мощность лёссовой толщи достигает 3040 м, а глубина просадочной зоны - 25-30 м. Суммарная величина просадки от собственного веса грунтов постепенно увеличивается от долин балок и Цимлянского водохранилища к центру города, где достигает максимальной величины - 63,3 см.

Для прогнозной оценки просадочности лёссовых грунтов в условиях изменения их влажности после строительства выбраны степень влажности Sr и показатель П, рекомендованный ныне отмененным СНиПом-П-15-74 для предварительной оценки проса-дочности грунтов и разработанный НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР, впервые был предложен СНиП-П-Б.1-62, затем, после модификации В.И. Круговым, его ввели и в СНиП-П-15-74.

Критерий просадочности П определяется по форе, — е

муле П =- , где си - коэффициент пористости

1 + е

лёссового грунта при влажности на границе текучести (в! = WL■pJpw); е - коэффициент пористости того же грунта при естественной влажности.

По СНиП П-15-74 (п. 2.13.) к просадочным относили лёссовые породы (грунты) со степенью влажности Sr <0,8, для которых величина П должна быть меньше значений, приведённых в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость значений П от числа пластичности

Число пластичности 0,01< Ip < 0,1 0,1< Ip < 0,14 0,14 < Ip < 0,22

П 0,1 0,17 0,24

В последующих поколениях нормативных документов (СНиП-2.02.11-83*) П не используется. Однако, учитывая, что этот показатель является интегральным, поскольку отражает структуру (е), веществен-

ный состав (Ip) и связан с влажностью (Sr), мы предлагаем использовать его в новом качестве - как вненор-мативный показатель устойчивости компонентов лёссовой геологической среды по потенциальной просадочности на застроенных территориях, сложенных заведомо просадочными разностями пород.

В качестве компонента геологической среды в данном случае выступает инженерно-геологический элемент (ИГЭ). Использование П опирается на представление о коэффициенте устойчивости среды (Ку), предложенном С.И. Пахомовым и А.М. Монюшко [1] и выраженным В. А. Королёвым [2] в виде

Ky=Nt/N0, (1)

где Nt - показатель какого-нибудь признака грунта или другого компонента геологической среды, испытавшего техногенное воздействие; N0 - тот же показатель до воздействия.

Коэффициент устойчивости Ку меняется от 0 до 1, но определяется в зависимости от характера изменения качества системы. По указанной формуле он определяется в тех случаях, когда понижение эколого-геологического качества сопровождается уменьшением какого-либо показателя, если же понижение этого качества происходит в результате увеличения показателя, то числитель и знаменатель меняются местами: Ky=N0/Nt. (2)

В табл. 2 приведены усреднённые показатели физико-механических свойств лёссовых грунтов по группе гражданских объектов на территории жилой зоны нового г. Волгодонска до их строительства в 1979 г. и через пять лет после него, но уже в условиях нарушенного режима подземных вод (1983 г.). В ней также приведены и рассчитанные величины П.

Анализ изменения физико-механических свойств лёссовых грунтов территории под влиянием строительства по инженерно-геологическим элементам показал следующее.

В пределах ИГЭ-1 (vdQ3lu), в ИГЭ-16 (погребённая почва еQlll), ИГЭ-2 (vdQ2lll), ИГЭ-2б (погребённая почва еQlll) и вплоть до ИГЭ-5а (vdQl-n) после строительства за период пятилетней эксплуатации произошло увеличение влажности W и показателей свойств лёссовых грунтов, на которые влажность оказывает наиболее существенное влияние: возрастают степень влажности Sr, плотность влажного грунта р, а уменьшаются значения модуля деформации Е, в некоторых случаях вдвое (ИГЭ-2 от 16 до 8 мПа).

Однако в ИГЭ-5а никаких изменений за прошедшие пять лет не наблюдается. Это объясняется тем, что в течение геологического времени, в процессе литогенеза, нижняя часть разреза постоянно или периодически содержала горизонт грунтовых вод и достигла достаточной степени плотности и литификации, при которой полностью ликвидировалась просадочность. Это видно по величине коэффициента пористости е = 0.647+0.654. которая близка к некой гипотетической пористости (еппу) и возможна в грунте после полного проявления

eL ~ Ппред

просадочности: еппу = i ri-, где ПпреА равно пре-

1+ П

пред

дельно допустимым значениям.

Сравнение значений еппу со значениями е после повышения влажности во всех ИГЭ, кроме 4 и 4в, показывает, что резерв пористости вполне достаточен и грунты остаются потенциально просадочными. В ИГЭ-4, который был просадочным до строительства, через пять лет просадка ликвидировалась полностью, о чём говорят близкие значения еппу и е после просадки. В ИГЭ-4в мало что изменилось, как и в ИГЭ-5а.

Анализ вышесказанного позволяет предположить, что во всех остальных компонентах лёссовой геологической среды, которые обладали просадочностью до застройки территории, просадка до конца не проявилась, т.е. они остались потенциально просадочны-ми, и чем больше её величина, тем менее устойчив данный компонент геологической среды. Оценить степень устойчивости компонента по потенциальной просадочности можно по степени влажности и критерию просадочности П.

Коэффициент устойчивости компонента геологической среды по потенциальной просадочности, используя формулы В.А. Королёва (1), (2) можно

рассчитать следующим образом: К =

п П

П

где

пред

П - показатель, рассчитанный по СНиП-11-15-74 (табл. 2); Ппред. - величина показателя из табл. 1, зависящая от 1Р.

Сопоставление значений 8Г и К? показало (табл. 3), что они взаимосвязаны, и что Ку можно сгруппировать по показателям степени влажности.

Известно, что при степени влажности £,<0,6, которая определяется в лёссах как влажность разрыва капилляров [3], в них формируются смешанные контакты [4], и при замачивании таких пород точечные контакты легко переходят в коагуляционные. Вследствие этого порода под давлением способна легко доуплот-няться, становясь при всех прочих равных условиях

наиболее просадочной по сравнению с более влажными разностями. При повышении степени влажности до 0,6-0,7 и несколько выше появляется значительно больше различных форм влаги, в том числе капиллярная, при которой появляется капиллярная связность. В целом массивы лёссовых пород при такой влажности уже обладают меньшей величиной просадки, чем массивы первой группы. Учитывая сказанное выше, можно по показателю П классифицировать устойчивость компонентов геологической среды по потенциальной просадочности следующим образом: при Л',. <0.6 величина Куп <0,25 - низкоустойчивая среда; 8Г =0,6+ 0,8; Куп = 0,25-0,75 - среднеустойчи-вая среда; =0,8-ь 1,0; Куп = >0,75-1,0 - высокоустойчивая среда; КуП >1 - сверхустойчивая среда -породы, просадочность которых ликвидировалась в течение геологического времени (это vdQ1- vdQ11).

Величина коэффициента устойчивости [2] в большинстве случаев меньше 1, что свидетельствует о снижении качества элементов геологической среды под влиянием техногенных факторов. Если же Ку становится больше 1, это свидетельствует о его повышении, а также о повышении устойчивости данного элемента геологической среды к техногенному воздействию. При полном разрушении системы Ку приближается к нулю. Просадочные под собственным весом лёссовые породы при полном водонасыщении теряют просадоч-ность, что свидетельствует о повышении качества геологической среды, но только по одному показателю, а в целом оно существенно не улучшается. Это подтверждает тот факт, что деградация просадочности (на что указывает Ку) обусловливает изменение качества среды вследствие трансформации лёссовых грунтов в «слабые» грунты [5]. В этом случае уже качество контролируется по модулю деформации Е (расчёт проводился по (2) либо по другим прямым показателям свойств, например, прочностным.

Усреднённые показатели некоторых физико-механических свойств лёссовых грунтов ряда объектов жилой зоны нового г. Волгодонска

Таблица 2

Номер ИГЭ*, индекс; средняя мощность, м Характеристика инженерно-геологического элемента (ИГЭ) ** W **** д.е. Рw, г/см3 е Sr WL, Д.е. Ip Е, МПа П е

1 vd Q3iii; 4 Суглинки лёссовидные твёрдые просадочные 0,13*** 0,17 1,68 1,75 0,810 0,805 0,44 0,57 0,32 0,32 0,12 0,12 16 9 0,030 0,033 0,593

1б e Qiii; 0,9 Погребённая почва -суглинки твёрдые просадочные 0,15 0,18 1,65 1,73 0,859 0,836 0,47 0,59 0,34 0,33 0,14 0,13 15 9 0,032 0,030 0,616

2 vd Q2iii; 7,5 Суглинки лёссовидные твёрдые просадочные 0,14 0,18 1,69 1,77 0,818 0,801 0,47 0,61 0,32 0,31 0,13 0,12 16 8 0,025 0,020 0,570

2б е Qiii; 0,9 Погребённая почва -суглинки твёрдые просадочные 0,16 0,19 1,73 1,79 0,802 0,777 0,53 0,64 0,36 0,32 0,15 0,12 20 14 0,094 0,050 0,593

3б е Qiii; 0,9 Погребённая почва -суглинки твёрдые просадочные 0,17 0,23 1,78 1,91 0,772 0,757 0,60 0,86 0,38 0,37 0,16 0,15 19 12 0,143 0,138 0,612

4 vd QII; 4,5 Суглинки лёссовидные твёрдые просадочные 0,16 0,21 1,82 1,95 0,818 0,669 0,61 0,86 0,33 0,33 0,13 0,13 20 0,040 0,198 0,616

4в е QII; 0,85 Погребённая почва -глина непросадочная 0,22 0,21 1,86 1,94 0,762 0,704 0,77 0,88 0,42 0,39 0,18 0,16 15 0,211 0,204 0,656

5 а vd Qi.ii; 8,5 Суглинки лёссовидные твёрдые непросадочные 0,21 0,21 1.97 1.98 0,654 0,647 0,86 0,86 0,39 0,40 0,17 0,17 0,241 0,246 0,677

* - номера выделенным ИГЭ присвоены в соответствии с полной инженерно-геологической стратификацией грунтовых условий

г. Волгодонска; ** - характеристика ИГЭ дана в сокращенном виде; *** - в числителе - значение показателей до строительства, в знаменателе -

через пять лет после него; **** - буквенные обозначения показателей свойств грунтов соответствуют принятым в СНиП-2.02.01-83*.

Таблица 3

Значения коэффициента устойчивости компонентов лёссовой геологической среды по их потенциальной просадочности

№ ИГЭ Sr КуП Ку

П0 / П пред П, / Ппред Е, МП

1 0,44 0,57 0,176 0,194 0,56

1б 0,47 0,59 0,133 0,176 0,60

2 0,47 0,61 0,147 0,118 0,5

2б 0,53 0,64 0,392 0,294 0,70

3б 0,60 0,86 0,596 0,575 0,63

4 0,61 0,86 0,235 1,165 -

4в 0,77 0,88 0,879 0,850 -

5а 0,86 0,86 10 1,02 -

мость в соотношении величин мощности и просадочности лёссовых пород: чем больше мощность проса-дочной толщи, тем больше величина просадки от собственного веса грунта.

3.0-5.5

Примечание: П0 - результаты расчёта по характеристикам грунта до застройки территории; П - то же самое через 5 лет после застройки.

Показатель Куп использовался нами и для ранжирования лёссовой толщи по степени потенциальной устойчивости геологической среды по просадочности. По аналогии с принципом выделения моделей лёссовых массивов [6], для целей картирования территории введён показатель х, который рассчитывается как отношение мощностей ИГЭ [Иигэ] низкой степени устойчивости к мощности всей просадочной толщи [Ипр\.

6.2-9.7

9.5-11.0

15.0-17.0

16,0-17.0

527,0-30,0

1

Ьиге 5 Ьцр.

И

■* 11 • tltll

О =-

h

EAY

h

iö

Градация устойчивости геологической среды по просадочности по этому показателю принята следующая: хтах = 1 при НИГЭ = Нпр, поэтому авторы допускают, что при значении х от 1,0-0,75 - среда низкоустойчивая, <0,75-0,5 - среднеустойчивая и <0,5 -высокоустойчивая (рис. 1).

На основе схемы зонирования новой части г. Волгодонска по величине индекса просадочности В.А. Ера-шова [7], который отражает взаимосвязь суммарной просадки под собственным весом с мощностью проса-дочной зоны, составлена схема зонирования территории жилой застройки нового г. Волгодонска по устойчивости геологической среды, по просадочности при эксплуатации зданий и сооружений (через 5 лет после застройки) (рис. 2). Выделенные зоны сложены лёссовыми грунтами с различной потенциальной просадочн-стью, имеют четко выраженную пространственную ориентацию, обусловленную особенностями геологического строения, геоморфологическими и гидрогеологическими условиями территории.

Исследованиями В.А. Ерашова [7] установлено, что на границе с добровольским останцом (рис. 2) отмечается резкое изменение мощности просадочной толщи и величины просадки от собственного веса. На исследуемой территории существует явная зависи-

Рис. 1. Обобщённые инженерно-геологические разрезы с оценкой устойчивости геологической среды по просадочности: а - низкоустойчивой, б - среднеустойчивой, в - высокоустойчивой. Степень устойчивости ИГЭ по просадочности: 1 - низкая, 2 - средняя, 3 - высокая; 4 - номер ИГЭ; 5 - мощность ИГЭ низкой устойчивости по просадочности;

6 - мощность просадочной толщи; 7 - насыпной грунт

Критерий КуП построен на косвенных показателях. Поэтому для подтверждения его достоверности нами были обобщены известные по этой территории прямые показатели просадочности и, прежде всего, результаты определения суммарной реализованной просадки см), приведенные В.А. Ерашовым по состоянию на 1995 г. [7]. Это тем более важно, что данные, приведенные в табл. 2 и 3, охватывают период 1978 - 1983 гг. Поэтому в качестве индивидуального площадного критерия оценки класса состояния эколо-го-геологических условий по характеру и интенсивности проявления процесса нами принята величина суммарной просадки - ^у/, также, как в работе [8]. По их интерпретации, если < 5 см - удовлетворительное состояние эколого-геологических условий; 5 < < 50 см - условно удовлетворительное; > 50 см - неудовлетворительное.

Ниже приводится характеристика зон, выделенных нами по косвенным показателям воздействия инженерно-геологических условий на сооружения селитебной части города. Чтобы убедиться в достоверности нашего подхода к оценке эколого-геологических условий через косвенные показатели (КуП и Бг), проводим районирование по прямым показателям (5^). На рис. 2 две схемы совмещены.

Зона низкоустойчивой геологической среды по потенциальной просадочности - зона экстремального

проявления просадочности и степени её неравномерности. Около 33 % территории зоны занимают просадоч-ные грунты с величиной просадки от собственного веса до 50 см, в микрорайоне В-4 - более 50 см, и мощностью просадочной толщи >20 м. На небольшой территории микрорайона пять просадочных «блюдец».

Рис. 2. Схема зонирования территории жилой застройки нового г. Волгодонска по устойчивости геологической среды по просадочности при эксплуатации зданий и сооружений (через 5 лет после застройки). Геологическая среда: 1 - низкоустойчивая, 2 - среднеустойчивая, 3 - высокоустойчивая. Состояние эколого-геологических условий по величине суммарной реализованной просадке лёссовых пород: 4 - удовлетворительное, 5 - условно удовлетворительное, 6 - неудовлетворительное; 7 - микрорайоны, 8 - граница добровольского останца

Зона среднеустойчивой геологической среды по потенциальной просадочности занимает самую обширную площадь. Лёссовые грунты, покрывающие неогеновые глинистые породы добровольского останца (микрорайоны В-2, В-18, В-19), обладают просадкой под собственным весом <5 см при мощности про-садочной толщи <10 м. На расстоянии 50-100 м от границ останца (микрорайоны В-1, В-3) мощность просадочной толщи изменяется от 2-3 до 18-20 м, а просадка от собственного веса - от 0 до 30-40 см. Микрорайоны ВЦ-1, ВЦ-2, В-7, В-8, В-9, В-16 сложены грунтами с просадкой от собственного веса 10-20 см и мощностью просадочной толщи 10-15 м. Срединная часть города (микрорайоны В-5, В-6, квартал Б, районный парк) - переходная между зонами с различной степенью устойчивости геологической среды, но до-

минируют просадки от собственного веса 20-30 см с мощностью просадочной толщи 15-20 м, и зафиксировано шестнадцать просадочных «блюдец».

В зоне высокоустойчивой геологической среды по потенциальной просадочности на 58 % территории преобладают грунты I типа грунтовых условий по просадочности, на 30 % - грунты, с величиной просадки от собственного веса от 5 до 10 см и мощностью просадочной толщи 5-10 м. И только в юго-западной части микрорайона В-10 просадки грунтов от собственного веса 20-30 см и мощность просадочной толщи до 15-20 м.

На территории г. Волгодонска нами также выделены зоны по величине суммарной просадки лёссовых пород по [8] (рис. 2).

Зона удовлетворительного состояния экологических условий (или зона экологической нормы) включает в себя зону высокоустойчивой геологической среды (за исключением южной части микрорайона В-10) и западную часть зоны среднеустойчивой геологической среды (микрорайоны В-2, В-18, В-19).

Зона условно удовлетворительного состояния экологических условий (или зона экологического риска) совпадает с территорией зоны среднеустойчивой геологической среды, за исключением ее западной части.

Зона неудовлетворительного состояния эколого-геологических условий (или зона экологического кризиса) полностью совпадает с зоной низкоустойчивой геологической среды.

Основной вывод из вышесказанного следующий: разработанный критерий определения потенциальной просадочности (П) по косвенным показателям, предложенная методика оценки степени устойчивости геологической среды по потенциальной просадочно-сти по этому показателю и проведенное эколого-геологическое районирование (зонирование) освоенной территории на примере г. Волгодонска дают возможность с достаточной полнотой оценивать эколого-геологические условия урбанизированных лёссовых территорий в период строительства и эксплуатации зданий и сооружений на этих территориях.

Кроме того, можно сделать и еще некоторые выводы: 1) поскольку районирование по прямым показателям проводилось по данным на 1995 г., а по потенциальной просадочности - на 1983 г., можно говорить о достаточно высокой стабильности границ выделенных зон устойчивости геологической среды по потенциальной просадочности; 2) некоторое несовпадение границ нашего районирования с границами районирования по [8] объясняется достаточно резким отличием гидрогеологических условий добровольского останца и остальной территории: на останце - надежный сплошной водоупор из скифских глин, а на остальной территории он представлен различными литологиче-скими разностями четвертичных аллювиальных суглинков и реже глин. На останце УГВ медленно, но постоянно повышался, в частности, за счет инфильтрации поливных вод с садово-огородных участков, что сокращало зону аэрации и мощность просадочной толщи (и без того небольшую), привело к снижению суммарной просадки грунтов и к частичному переводу толщи из II типа грунтовых условий по просадочности в I тип.

Для оценки влияния изменчивости эколого-геоло-гических условий по потенциальной просадочности на состояние зданий и сооружений, которое опосредованно сказывается на степени безопасности жизнедеятельности человека, нами рассмотрено поведение техногенного компонента геологической среды - фундаментов различных типов - в условиях изменчивости этой среды [9]. При строительстве в г. Волгодонске применялись следующие типы фундаментов: ленточный (железобетонный монолит), буронабивные сваи, сваи забивные и значительно реже железобетонная плита. Зная взаимосвязь осадок различных типов фундаментов с динамикой подтопления и потенциальной про-садочности территорий, можно рекомендовать применение тех или иных фундаментов при новом строительстве на застроенной территории по данным предварительной оценки ее эколого-геологических условий, проведенной по предложенной выше методике. Наиболее эффективным решением при строительстве в грунтовых условиях II типа по просадочности является возведение фундаментов глубокого заложения и, в частности, свайных фундаментов из забивных свай [10], прорезающих всю толщу просадочных грунтов.

Литература

1. Пахомов С.И., Монюшко А.М. Инженерно-геологические аспекты техногенного изменения свойств глин. М., 1988. 120 с.

Поступила в редакцию_

2. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М., 1995. 272 с.

3. Балаев Л.Г., Царев П.В. Лёссовые породы Центрального и Восточного Предкавказья. М., 1964. 248 с.

4. Осипов В.И. Природа прочности и деформационных свойств глинистых пород. М., 1979. 235 с.

5. Коробкин В.И., Нариманянц Е.В., Черкасс Е.А. Трансформация эоловых лёссов и их просадочности на подтопленных грунтовыми водами урбанизированных территориях на юге России // Вопросы геологии и освоения недр юга России : сб. науч. ст. Ростов н /Д, 2007. С. 194-201.

6. Ларионов А.К., Быкова В.С., Ананьев В.П. Лёссовые породы СССР. Т. 2. Региональные особенности / под ред. Е.М. Сергеева. М., 1986. 276 с.

7. Ерашов В.А. Кластерный анализ в оценке просадочности лессовых пород (на примере г. Волгодонска) : авто-реф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. Ростов н/Д, 1995. 19 с.

8. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология. М., 2002. 415 с.

9. Нариманянц Е.В., Коробкин В.И. Оценка эколого-геологических условий урбасистем на примере г. Волгодонска Ростовской области // Проблемы геоэкологии, прикладной геохимии и геофизики: сб. ст. Ростов н/Д, 2005. С. 98103.

10. Микашинович Р.Р. Профилактика деформаций зданий и сооружений на массивах просадочных лессовых грунтов // Инженерная геология массивов лёссовых пород: материалы междунар. науч. конф. 25-26 мая 2004 г. М., 2004. С. 117-118.

10 февраля 2009 г.