CC BY
154
УДК 502.7+711
В.Е. Ольховатенко, В.М. Лазарев, И.С. Филимонова
ФГБОУВПО «ТГАСУ»
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ г. ТОМСКА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГОРОДСКУЮ ЗАСТРОЙКУ
Рассмотрены геоэкологические условия и природно-техногенные факторы развития опасных процессов на территории г. Томска. Предложен алгоритм изучения геоэкологических условий урбанизированных территорий. Установлены причины и закономерности развития опасных процессов, обосновывается зонирование территорий по степени опасности и уровню риска для городской застройки. Приведены рекомендации по инженерной защите с учетом зонирования территорий г. Томска.
Ключевые слова: геоэкологический мониторинг, факторы развития опасных процессов, инженерная защита, зонирование территорий.
Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий приобретают в настоящее время исключительную актуальность, 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
че
ичг
о л о к э о е
и
г о л о е г о
орд
идг
и •е о е г
и
ё к и ■ & 8 ^ 3 щ «
2 & 1 1 ^ 5т а й а е § а
« я
зу р
ыыи
Магнитометрический метод с применением аппаратуры АМКОД
Георадарный метод
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 риска, составить карту зонирования городской территории по степени опасности и уровню риска для городской застройки, разработать мероприятия по инженерной защите территорий, зданий и сооружений.
Исследованиями, выполненными в [1], 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 относятся 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 (таблица).
Схематический стратиграфический разрез территории г. Томска
Система Свита Индекс Мощность, м Лито логическая колонка Краткое описание пород
Четвертичная aQ IV 10.30 /////// / / / / / / /////// ' / < < ( < ' . 0 , » „ о • 4 О • О • ' О О - О 1 О ' 1 9 » о " » » о Современные отложения высокой поймы р. Томи: суглинки, супеси, пески, гравий, галька
aQ m 15.22 в '//////у /////// ' <1 • , о О » * Верхнечетвертичные отложения первой надпойменной террасы рек Ушайки и М. Киргизки: суглинки, супеси, пески, . гравий, галька
SaQII-in 5.12 Средневерхнечетвертич-' ные отложения: пески, ' суглинки и супеси, в верхней части лессовидные
- 3 Г* о ■ ° о О о => О
//////'' ///////.
Тайгинская laQiitg до 15 • в " о • Суглинки, супеси, пески коричневого и серого цвета, глины
Неогеновая Кочковская N2kc 15.25 шт, /////// • • . Ч • _ - Глины, суглинки, супеси, пески с гравием
Палеогеновая Лагернотомская P3lg 20.45 //>//»' Пески, супеси с включениями гравия и прослоями суглинков и глин
Новомихайлов-ская P3nm ?/'/'//// Глины, суглинки с прослоями песка
Меловая K-P до 20 Кора выветривания глинистых сланцев, глины каолинитизированные
Каменноугольная Ci > 100 ла л Глинистые сланцы серые, темно-серые, в верхней части трещиноватые
Основной водоносный горизонт приурочен к песчано-гравийным отложениям неоген-палеогенового возраста, залегает на глубине 30...45 м, имеет мощность 15.. .17 м и оказывает большие влияния 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 с 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 имеется сцепление 0,055.0,067 МПа, угол внутреннего трения 16.18°, а для супесей 0,17.0,27 МПа и 19.25°.
В геоморфологическом отношении 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 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. На настоящее время в оползневую зону попадает правый берег р. Томи и прилегающая территория площадью 130 га, где расположены 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
Рис. 6. Оползни скольжения 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: упо-лаживание склона, вертикальный дренаж, отвод поверхностных вод, устройство дренажной горной выработки (штольни) для осушения оползневого склона. Согласно проекту дренажная горная выработка, расположена на глубине 45 м и имеет длину 2200 м, поперечное сечение 12,8 м2 (рис. 7).
Рис. 7. Дренажная горизонтальная выработка
Для осушения неоген-палеогенового горизонта вдоль ДГВ запланирована проходка 42 сквозных фильтров через 60 м, диаметром 429 мм и глубиной 41 м (рис. 8).
1
I- Воитаюишс .трсннрл, юинк скыжнии
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 замеров суммарный максимальный дебит ДГВ в мае 2008 г. составил 61 м3/ч, минимальный в апреле 2008 г. — 53 м3/ч. К настоящему времени проходка ДГВ не завершена в полном
объеме, а на участках ее 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 ее 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 которой 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 водонесущих 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.
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 торцевой блок 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 уплотнения 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, т.е. ее 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 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 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 круг-лоцилиндрической 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, учитывая неудовлетворительный уровень инженерной защиты, геотехническая система оказывается неустойчивой. Для обеспечения нормального функционирования геотехнической системы требуется реализация проектов инженерной защиты территории и продолжения мониторинга. В противном случае не исключается возможность возникновения чрезвычайных ситуаций.
Учитывая, что опасные оползневые процессы развиты и на других территориях города 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 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., Рутман М.Г., Лазарев В.И. Опасные природные и техноприродные процессы на территории города Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем. Томск : Печатная мануфактура, 2005. 152 с.
Поступила в редакцию в марте 2012 г.
Об авторах: Ольховатенко Валентин Егорович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик МАН ВШ, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, igg@tsuab.ru;
Лазарев Владимир Михайлович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой геодезии, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, lazarevvm@mail.ru;
Филимонова Ирина Сергеевна — старший преподаватель кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, igg@tsuab.ru.
Для цитирования: Ольховатенко В.Е., Лазарев В.М., Филимонова И.С. Геоэкологические условия территории г. Томска и их влияние на городскую застройку // Вестник МГСУ. 2012. № 4. С. 131—139.
V.E. Ol'khovatenko, V.M. Lazarev, I.S. Filimonova
GEOECOLOGICAL CONDITIONS OF THE TERRITORY OF TOMSK AND THEIR INFLUENCE ON URBAN CONSTRUCTION AND DEVELOPMENT
Geoecological conditions, natural and anthropogenic factors that boost hazardous processes in the territory of Tomsk are considered in the paper. The algorithm of research of geoecological conditions of urban territories is proposed by the authors. The authors have also identified the rea-
sons of hazardous processes and development patterns typical for them; the authors also break the territory into zones on the basis of the level of hazards and risks that the urban development is exposed to. The authors provide their recommendations in respect of the engineering protection of urban lands on the basis of the zoning of the territory of Tomsk.
Comprehensive geoecological research was performed in furtherance of the algorithm proposed by the authors. The research undertaking made it possible to identify the patterns of hazardous processes, to assess the state and sustainability of natural and technological systems in the zones of geoecological risks, to compile a map of urban zones based on the intensity of geoecological risks that challenged the urban development, and to develop a set of actions to assure the engineering protection of the territory, its buildings and structures.
Key words: geoecological monitoring, factors, dangerous processes, expansion, engineering protection, zoning of territories.
References
1. Ol'khovatenko V.E., Rutman M.G., Lazarev V.I. Opasnye prirodnye i tekhnoprirodnye protsessy na territorii goroda Tomska i ikh vliyanie na ustoychivost' prirodno-tekhnicheskikh sistem [Hazardous Natural and Technological-Natural Processes in the Territory of Tomsk and Their Influence on the Sustainability of Natural and Technological Systems]. Tomsk, Pechatnaya Manufaktura Publ., 2005, 152 p.
About the authors: Ol'khovatenko Valentin Egorovich — Professor, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Chair, Department of Engineering Geology and Geoecology, Tomsk State University of Architecture and Building (TSUAB), 2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russian Federation; igg@tsuab.ru;
Lazarev Vladimir Mikhaylovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Chair, Department of Geodesy, Tomsk State University of Architecture and Building (TSUAB), 2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russian Federation; lazarevvm@mail.ru;
Filimonova Irina Sergeevna — Senior Lecturer, Department of Engineering Geology and Geoecology, Tomsk State University of Architecture and Building (TSUAB), 2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russian Federation; igg@tsuab.ru.
For citation: Ol'khovatenko V.E., Lazarev V.M., Filimonova I.S. Geoekologicheskie usloviya territoriig. Tomska i ikh vliyanie na gorodskuyu zastroyku [Geoecological Conditions of the Territory of Tomsk and Their Influence on Urban Construction and Development]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 4, pp. 131—139.
