CC BY
35
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
ОЛЬХОВАТЕНКО ВАЛЕНТИН ЕГОРОВИЧ, докт. геол.-мин. наук, профессор, академик МАН ВШ, igg@tsuab. ru
ЛАЗАРЕВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, lazarevvm@mail. ru
ФИЛИМОНОВА ИРИНА СЕРГЕЕВНА, ст. преподаватель, igg@tsuab. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАСТРОЙКИ ТЕРРИТОРИИ Г. ТОМСКА И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЁ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЕ
Рассмотрены геоэкологические условия и природно-техногенные факторы развития опасных процессов на территории г. Томска. Установлены причины и закономерности развития опасных процессов, обосновывается зонирование территорий по степени опасности и уровню риска для городской застройки. Освещаются рекомендации по инженерной защите с учетом зонирования территорий г. Томска.
Ключевые слова: геоэкологический мониторинг; факторы развития опасных процессов; инженерная защита; зонирование территорий.
OLKHOVATENKO, VALENTIN EGOROVICH, Dr. of geolog.-mimeral sc., prof., Academician of the International Academy of Higher Education, igg@tsuab. ru
LAZAREV, VLADIMIR MICKAILOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., lazarevvm@mail. ru
FILIMONOVA, IRINA SERGEYEVNA, senior teacher, igg@tsuab. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
GEOENVIRONMENTAL PROBLEMS OF BUILDING ON TOMSK TERRITORY AND ACTIONS FOR ITS ENGINEERING PROTECTION
Geo ecological conditions and nature-technogenic factors of dangerous processes expansions on Tomsk territory were considered. The reasons and consequences of dangerous processes
© В.Е. Ольховатенко, В.М. Лазарев, И.С. Филимонова, 2012
development were established, territories zoning on danger degree and a risk level for city building was considered. Recommendations for engineering protection actions according to zoning of territories of Tomsk were given.
Keywords: geoecological monitoring; factors of dangerous processes expansions; engineering protection; zoning of territories.
Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий приобретают в настоящее время исключительно актуальное значение, а их решение требует проведения комплексных исследований с использованием современных технологий, включающих визуальные, инструментальные, аналитические и расчетные методы (рис. 1).
Методы изучения и оценки геоэкологических условий урбанизированных территорий
й
Л
к
а
£
X
<&
д
Он
о
§3
а
о
ю
Л
о
%
S
со
(D
ч
о
(D
І-Ч
о
(D
F
S
со
S
■е
о
(D
І-Ч
й
-о
к
й
(D
4 а
5 о «
о
%
S
н
S
н
о
1 г 1 г Ч г
Геоинформа- ционные Расчеты устойчивости склонов Расчеты осадок при водопони-жении
о а
¡г ■&
Спутниковые Магнитометри-
технологии ческий метод Георадар-
с применением с применением ный метод
Глонасс- и GPS- аппаратуры
приемников АМКОД
Рис. 1. Алгоритм изучения геоэкологических условий урбанизированных территорий
С использованием предложенного алгоритма на территории г. Томска были выполнены комплексные геоэкологические исследования, позволившие выявить закономерности развития опасных процессов, оценить состояние и устойчивость природно-технических систем в зонах геоэкологического рис-
ка, составить карту зонирования городской территории по степени опасности и уровню риска для городской застройки, разработать мероприятия по инженерной защите территорий, зданий и сооружений [1].
Исследованиями установлено, что наибольшую опасность для г. Томска представляют оползневые процессы на правом берегу р. Томи в Лагерном саду (рис. 2) и мкр. Солнечный (рис. 3).
Рис. 2. Общий вид оползневого склона в Лагерном саду г. Томска
Рис. 3. Оползневые процессы в мкр. Солнечный г. Томска
На развитие оползневых процессов оказывают влияние как природные, так и техногенные факторы. К первым относятся особенности геологического
строения территории, геоморфология, состав и физико-механические свойства грунтов, их обводненность за счет подземных и поверхностных вод. Ко второй группе относится пригрузка склонов при строительстве объектов, техногенное замачивание грунтов, движение транспорта по автомагистралям, прилегающим к оползнеопасным территориям.
В геологическом строении территории г. Томска принимают участие четвертичные, палеогеновые и меловые отложения, представленные глинами, суглинками, супесями, песками с гравием, глинистыми сланцами (рис. 4).
Система Свита Индекс Мощность, м Литологическая колонка Краткое описание пород
Четвертич- ная > а л 10-30 /////// / / / / / / / ////// 0 ф * « • • ! О ‘ О ‘ ‘ О Современные отложения высокой поймы р. Томи: суглинки, супеси, пески, гравий, галька
аОіІІ 15-22 / /////// в « • ф 1 в • • * * • . Верхнечетвертичные отложения первой надпойменной террасы рек Ушайки и М. Киргизки: суглинки, супеси, пески, -гравий, галька
8а0іі_ш 5-12 * 0 . в 0 # “ - Средневерхнечетвертичные отложения: пес) ки, суглинки и супеси, в верхней части лёссовидные
~р • * ° о о « => ' ]
ШУ/. *//////,
Тайгин- ская іаО^ до 15 /////// ••• •. ■ • • Суглинки, супеси, пески коричневого и серого цвета, глины
Неогеновая Кочков- ская ^кс 15-25 Глины, суглинки, супеси, пески с гравием
Палеогено- вая Лагерно- Томская РзІЕ 20-45 ///////. //////,' '/////г/- Пески, супеси с включениями гравия и прослоями суглинков и глин
Ново- Михай- ловская Р3пт «—^ «—д Глины, суглинки с прослоями песка
Меловая К-Р до 20 * * * ^ Кора выветривания глинистых сланцев, глины каолинитизированные
Каменно- угольная Сі > 100 V' л -Я Ла а Глинистые сланцы серые, темно-серые, в верхней части трещиноватые
Рис. 4. Схематический стратиграфический разрез территории г. Томска
Основной водоносный горизонт приурочен к песчано-гравийным отложениям неоген-палеогенового возраста, залегает на глубине 30-45 м, имеет мощность 15-17 м и оказывает большое влияние на развитие оползневых процессов в Лагерном саду и мкр. Солнечный. Отличительной особенностью выделенных литологических типов пород является преобладание в разрезе глин, суглинков, супесей и песков, обладающих низкими значениями прочностных характеристик. Удельное сцепление глин различного возраста составляет в среднем 0,029-0,082 МПа, угол внутреннего трения 15-21°. Соответственно для суглинков имеет удельное сцепление 0,055-0,067 МПа, угол внутреннего трения 16-18°, а для супесей 0,17-0,27 МПа и 19-25°.
Геоморфологически рассматриваемая территория относится к третьей надпойменной террасе р. Томи с крутыми (до 45°) и высокими (до 55 м) склонами. Совместное воздействие природных и техногенных факторов привело к активизации оползневых процессов, представляющих реальную угрозу не только для зданий и сооружений, но и для самой жизни людей. За последние 20 лет бровка склона в Лагерном саду г. Томска под влиянием оползневых процессов переместилась на 93 м. Учебный корпус ТУСУРа оказался в опасной зоне и был демонтирован. В настоящее время в оползневую зону попадает правый берег р. Томи и прилегающая территория площадью 130 га, где расположена парковая зона, объекты коммунальной инфраструктуры, социальной сферы, жилые микрорайоны. Исследованиями установлено, что на территории Лагерного сада развиты оползни вязкопластичного течения, сдвига, выпирания и скольжения (рис. 5, 6).
Рис. 5. Оползни вязкопластичного течения на правом берегу р. Томи
Основной причиной развития оползневых процессов является интенсивное обводнение грунтового массива за счет подземных, поверхностных и техногенных вод, что приводит к снижению прочностных характеристик грунтов и потере устойчивости склонов. Для обеспечения устойчивости склонов, снижения степени опасности и уровня риска при эксплуатации объектов
для рассматриваемой территории был разработан комплексный проект противооползневых мероприятий, который включал: уполаживание склона, вертикальный дренаж, отвод поверхностных вод, устройство дренажной горной выработки (ДГВ) (штольни) для осушения оползневого склона. Согласно проекту дренажная горная выработка имеет длину 2200 м, расположена на глубине 45 м и имеет поперечное сечение 12,8 м2 (рис. 7).
Рис. 6. Оползни скольжения на правом берегу р. Томи
Рис. 7. Дренажная горизонтальная выработка
Для осушения неоген-палеогенового горизонта вдоль ДГВ запланирована проходка 42 сквозных фильтров через 6O м диаметром 429 мм и глубиной 41 м (рис. 8).
Рис. 8. Схематический разрез по оси ДГВ
В скважине устанавливается фильтр диаметром 110 мм и производится гравийная обсыпка. Сквозные фильтры вскрываются из горной выработки. Таким образом, происходит осушение склона без принудительной откачки. По результатам измерений суммарный максимальный дебит ДГВ в мае 2008 г. составил 61 м3/ч, минимальный - 53 м3/ч в апреле 2008 г. К настоящему времени проходка ДГВ не завершена в полном объеме, а на участках её функционирования ситуация стабилизировалась. Наряду с положительными результатами, проходка ДГВ имеет и негативные последствия. Такими последствиями являются провалы грунта в выработанное пространство в объеме до 4 тыс. м3, что затрудняет дальнейшую её проходку. Негативным фактором является просадка грунтовых толщ в результате длительного водопонижения, которая, по нашим расчетам, может достигать 53 см. Это может привести к деформированию и разрушению зданий в пределах формирующейся воронки депрессии, длина который составляет более 600 м.
Второй опасной территорией в г. Томске является мкр. Солнечный. Решающую роль в развитии оползневых процессов здесь сыграли техногенные факторы:
- пригрузка склона вследствие строительства двух десятиэтажных домов;
- техногенное обводнение грунтового массива за счет утечек из водоне-сущих коммуникаций;
- замачивание грунтов за счет накопления воды в котловане, вырытом для строительства детского сада.
В результате активизации оползневых процессов (рис. 9) были разрушены полностью гаражи (рис. 10), а в цокольной части и конструкциях жилого дома № 89 появились трещины, что послужило основанием для расселения двух подъездов жилого дома № 89.
Рис. 9. Оползень на участке жилого дома № 89
Рис. 10. Разрушение гаражей в мкр. Солнечный
Неблагоприятная ситуация складывается в торцевой части жилого дома № 91. Здесь развиваются неравномерные осадки вследствие того, что грунтовым основанием в юго-восточной части дома являются насыпные грунты мощностью до 7 м, а глубина погружения свай составляет 8,6 м. Как показали наши исследования, сваи в торцевом блоке секции жилого дома № 91 работают в условиях уплотнения грунтов и развития сил отрицательного трения. Следовательно, несущая способность свай на участке около юго-восточного угла жилого дома № 91 обеспечивается только работой острия и примерно двухметрового участка боковой поверхности, расположенного ниже нейтральной плоскости. Учитывая, что мощность насыпных грунтов в пределах торцевой части здания и величина уп-
лотнения различные, негативное трение было определено для различных глубин расположения нейтральной плоскости. По нашим расчетам, суммарная сила негативного трения составила 410 кН. При расчетной нагрузке на сваю 650 кН, внешней нагрузке от здания согласно проекту 450 кН и силе негативного трения 410 кН дефицит несущей способности свай составляет 210 кН, то есть её несущая способность в условиях уплотнения грунтового массива не обеспечена. При этом осадки грунтовой толщи в пределах торцевой блок-секции жилого дома № 91 могут достигать 10 см. С целью предотвращения дальнейшего развития осадок жилого дома и обеспечения несущей способности свай и снижения активного давления на подпорную стенку было предложено произвести упрочнение и уплотнение грунтового массива на участке торцевой блок-секции на глубину до 9,0 м путем инъектирования в сжимаемые слои грунта цементно-песчаного раствора. Усиление цокольных панелей рекомендуется выполнить путем установки дополнительных металлических поясов. Одновременно необходимо продолжить геодезические наблюдения с применением спутниковой аппаратуры за вертикальными и горизонтальными перемещениями грунтового массива и жилых домов, а также геофизические магнитометрические наблюдения за развитием глубинных оползневых процессов.
Для оценки устойчивости склонов в мкр. Солнечный использовался метод круглоцилиндрической поверхности. При этом учитывалась пригрузка склона и его обводнение за счет техногенного водоносного горизонта. Коэффициент устойчивости возле дома № 89 составил 0,96, что свидетельствует об опасном состоянии геологической среды, и при неудовлетворительном уровне инженерной защиты геотехническая система оказывается неустойчивой. Для обеспечения нормального функционирования геотехнической системы требуется реализация проектов инженерной защиты территории и продолжение мониторинга. В противном случае не исключается возможность возникновения чрезвычайных ситуаций.
Учитывая, что опасные оползневые процессы развиты и на других территориях г. Томска, были проведены комплексные геоэкологические исследования и составлена карта зонирования территорий по степени опасности и уровню риска для городской застройки (рис. 11), на которой выделены следующие зоны:
1. Очень опасная, включающая территории Лагерного сада и мкр. Солнечный, где строительство объектов должно быть запрещено. На этих территориях требуется незамедлительное внедрение мероприятий и проектов по инженерной защите.
2. Опасная территория третьей надпойменной террасы р. Томи с крутыми (до 45°) и высокими (более 40 м) склонами. Строительство объектов в непосредственной близости от бровки склонов и у подножия должно быть запрещено. На данной территории необходимо установить границу безопасной зоны и внедрить мероприятия по обеспечению нормального функционирования природно-технической системы.
3. Условно-опасная зона включает в себя территории естественного и техногенного подтопления. Для снижения степени опасности при городской застройке потребуется внедрение мероприятий по осушению территорий.
4. Безопасная, в пределах которой отсутствуют опасные процессы и строительство объектов не приведет к нарушению динамического равновесия в их эксплуатации.
Рис. 11. Карта зонирования территории г. Томска по степени опасности и уровню риска для городской застройки
Библиографический список
1. Ольховатенко, В.Е. Опасные природные и техноприродные процессы на территории города Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем / В.Е. Ольховатенко, М.Г. Рутман, В.И. Лазарев. - Томск : Печатная мануфактура, 2005. - 152 с.
