CC BY
16Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69.032.22
А.А. СКАЛИН, технический директор (inform@uralgeoecology.ru)
ООО «Научно-производственное объединение Уралгеоэкология» (620027, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мельковская, 9)
Опыт гидрогеологических изысканий в скальном массиве для высотного строительства
«Екатеринбург-СИТИ»
Рассматривается опыт гидрогеологических изысканий в скальном интрузивном массиве Восточно-Уральского поднятия для высотного строительства делового центра «Екатеринбург-СИТИ», расположенного на правобережном участке городского пруда реки Исеть. Анализируется результативность гидрогеомеханических исследований тектонических трещинных коллекторов. Приводятся данные гидрогеологического мониторинга при строительном вертикальном дренаже четырехуровневого подземного паркинга, обосновывающие природную гидрогеологическую модель воздействия на окружающую среду. Оцениваются перспективы рационального использования откачиваемых ресурсов подземных вод.
Ключевые слова: высотное строительство «Екатеринбург-СИТИ», скальный интрузивный массив, Восточно-Уральское поднятие, гидрогеомеханика, вертикальный дренаж, гидрогеологический мониторинг.
Для цитирования: Скалин А.А. Опыт гидрогеологических изысканий в скальном массиве для высотного строительства «Екатеринбург-СИТИ» // Жилищное строительство. 2017. № 11. С. 7-12.
A.A. SKALIN, Technical Director (inform@uralgeoecology.ru) OOO «Scientific-Production Association Uralgeoecologiya» (9, Mel'kovskaya Street, Yekaterinburg, 620027, Russian Federation)
Experience in Hydro-Geological Surveys in Rock Massif for High-Rise Construction «Yekaterinburg-CITY»
The experience in hydro-geological surveys in the rock intrusive massif of the East-Ural Ridge for high-rise construction of the business-center «Yekateringburg-CITY» located at the right-bank section of the city pond of the Iset River is considered. Efficiency of hydro-mechanical surveys of tectonic crack collectors is analyzed. Data on the hydro-geological monitoring when constructing the vertical drainage of the four-level underground parking which substantiate the natural hydro-geological model of effect on the environment are presented. Prospects of the rational use of pumped resources of underground water are evaluated.
Keywords: high-rise construction «Yekaterinburg-City», rock intrusive massif, East-Ural Ridge, hydromechanics, vertical drainage, hydro-geological monitoring.
For citation: Skalin A.A. Experience in hydro-geological surveys in rock massif for high-rise construction «Yekaterinburg-CITY». Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 11, pp. 7-12. (In Russian).
Скальные интрузивные массивы характеризуются анизотропией геофильтрационных и емкостных свойств. Идею об использовании подземных вод в качестве универсального индикатора геомеханики скальных массивов одним из первых предложил В.А. Мироненко [1, 2], введя понятие гидрогеомеханики. Гидрогеомеханические исследования в комплексе с геофизическими изысканиями дают высокую результативность при поисках месторождений подземных вод [3] и при обосновании вертикального дренажа горнодобывающих карьеров [4], соизмеримых со строительными уникальными котлованами при высотном строительстве.
Гидрогеомеханические изыскания выполнялись на участке Шувакишского габбрового массива Восточно-Уральского поднятия для проектирования высотного строительства делового центра «Екатеринбург-СИТИ» Уральской горно-металлургической компании. Площадка «Екатеринбург-СИТИ» расположена в центре мегаполиса Екатеринбурга на правобережье Городского пруда на р. Исеть, ограничиваясь улицами Челюскинцев - Октябрьской Революции - Боевых Дружин - Бориса Ельцина. На площадке «Екатеринбург-СИТИ» завершается строитель-
112017 ^^^^^^^^^^^^^
ство «Башни Исеть» высотой 52 этажа с четырехуровневым подземным паркингом [5] и проектируются еще три более высоких здания.
Площадка «Екатеринбург-СИТИ» на Шувакишском габбровом массиве находится вблизи Верх-Исетского тектонического разлома лево-сдвигового характера большой амплитуды и протяженностью около 500 км. Верх-Исетский разлом образовался, по-видимому, в позднем палеозое: и нет сейсмологических свидетельств, указывающих на его потенциальную активность. Расчет параметров сейсмического воздействия, согласованный Главгосэксперти-зой, для площадки «Екатеринбург-СИТИ», оказался равен 6 баллам. К Верх-Исетскому разлому приурочена долина р. Исеть. В соответствии с установленными региональными тектоническими схемами структур Урала можно сделать вывод, что тектоническое нарушение в габбровом массиве следует отнести к вторичным локальным раздвигам вблизи Верх-Исетского главного разлома. Известно, что основная форма тектонических локальных раздвигов клиновидная. Тектонические трещины растяжения к настоящему времени полностью залечены жилами и дайками разных пород (аплитами, гранит-порфирами и пр.), подверженных мило- 7
Высотное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
ул.О^я&рьск&й Революции
-5-Я-И> О,*
■
1 * ¡г 1 * 1
3 £ * М г
Рис. 1. Схема воронки депрессии подземных вод вдоль водоносной зоны тектоническогораздвига в габбровом массиве на площадке «Екатеринбург-СИТИ»: 1 — динамический уровень подземных вод (цифра обозначает понижение, м) при опытной групповой откачке с суммарным дебитом 950м3/сут в зимнюю межень 2008г.; 2 — граница зоны подземных вод с температурой выше 15 °С; 3 — площадь миграции теплых подземных вод; 4 — знак водопонизительных скважин при опытных групповых откачках (справа псевдодробь — в числителе — дебит откачки, дм3/с, в знаменателе — понижение, м); 5 — знак скважин-пьезометров (глубина 40 м, оборудованы однотипно); 6 — знак «налива» горячих вод из теплотрассы
нитизации. Показательно сопоставление геологического строения на разных сторонах Верх-Исетского сдвига. Так, в створе «Екатеринбург-СИТИ» на правобережье Городского пруда находится габбровый массив, а на левобережье - мраморизованные закарстованные известняки, вскрытые при изысканиях под станцию метро «Динамо» [6]. Производительность вертикального дренажа метро «Динамо», являющегося инфильтрационным водозаборным участком Метростроевского месторождения подземных вод в тре-щинно-карстовых коллекторах, составляет в настоящее время 3,3 тыс. м3/сут.
В гидрогеологическом отношении Шувакишский габбровый массив расположен в Восточно-Уральской гидрогеологической области. Геофильтрационная структура интрузивных массивов определяется развитием слабоводоносных зон региональной трещиноватости и водоносных зон тектонической трещиноватости с водопроводимостью до 250 м2/сут. Для составления погоризонтальных схем
8| -
геофильтрационной анизотропии габбрового массива, обусловленной тектонической нарушенностью позднего палеозоя, был применен комплекс геофизических и опытно-фильтрационных работ. Интерпретация результатов площадных сейсморазведочных и электроразведочных работ была осложнена химическими и тепловыми загрязнениями подземных вод, установленными при инженерно-экологических изысканиях. Предпочтение было отдано методам скважинной геофизики, выполненным в 60 скважинах-пьезометрах, оборудованных однотипно на глубину 40 м. Обязательный комплекс каротажа включал в себя: электрокаротаж (КС), гамма-каротаж (ГК), расходометрию с кавернометрией, термометрию [7]. Кроме того, под высотные башни выполнены сейсмотомография и акустический каротаж, чтобы точно определить угол падения и простирания зоны тектонической нарушенности. Из всех скважин-пьезометров были произведены опытные откачки, отобраны пробы воды, а затем выполнена кустовая группо-
^^^^^^^^^^^^^ И1'2017
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 2. Схематический гидрогеологический разрез вкрест водоносной зоны тектонической трещиноватости в габбровом массиве на площадке «Екатеринбург-СИТИ»: 1 — динамический уровень воронки депрессии подземных вод при строительном водопонижении с дебитом ~500 м3/сут в период летней межени 2011 г.; 2 — граница водоносной зоны тектонической трещиноватости; 3 — суглинок; 4 — дресвяно-щебенистые образования зоны мелонитизации; 5 — габбро; 6 — гранит-порфир; 7 — скважина, псевдодробь: слева в числителе уровень — подземных вод, м; в знаменателе — минерализация, г/дм3; справа в числителе — дебит, дм3/сут; в знаменателе — понижение, м
вая откачка с суммарным дебитом 950 м3/сут (рис. 1), позволившие определить пространственную форму геофильтрационной структуры габбрового массива [8]. По керну скважин определялись модули трещиноватости и кускова-тости, производились фотографирование, отбор образцов на физико-механические исследования и шлифы. Оставшийся керн в ящиках отправлялся на длительное хранение. В ходе горно-проходческих работ в строительном котловане на глубине ~16-18 м, на проектной отметке ~235 м выполнялись измерения простирания и падения тектонической тре-щиноватости, были выполнены и фотометрические работы с геодезической привязкой. По результатам установлена корреляция между петрофизическими, водными и физико-механическими характеристиками инженерно-геологи-
ческого габбрового массива в объеме сжимаемой толщи под «Башней Исеть». Систематизация результатов геофизических, гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий дала возможность установить водоносную зону тектонического нарушения позднего палеозоя к западу от строительной площадки «Башни Исеть». Тектоническое нарушение трассируется полем из жил кварца и даек гра-нит-порфиров, являющихся прочными скальными грунтами ^ >50 МПа), но при этом хрупкими, имеющими несколько повышенную радиоактивность по сравнению с фоном габ-брового массива. Жилы кварца и дайки гранит-порфиров являются трещинно-жильными коллекторами подземных вод с коэффициентом фильтрации 10-20 м/сут, что почти на два порядка выше слабоводопроницаемых блоков габ-
11'2017
9
Высотное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
брового массива. Водоносная зона в трещинно-жильных коллекторах тектонического нарушения позднего палеозоя, секущая габбровый массив (рис. 2), является естественной дреной подземных вод, имея субмеридиональное простирание до Городского пруда на реке Исеть: ее ширина на урезе Городского пруда около 65 м; на южной части площадки «Екатеринбург-СИТИ» около 30 м; падение - восточное под углом около 70о; водопроводимость около 100 м2/сут (в слабоводопроницаемых блоках габбрового массива на один-два порядка меньше).
Гидрогеологическая модель разрабатывалась для прогноза воздействия вертикального дренажа на окружающую застройку, попадающую на площадь воронки депрессии подземных вод в дисперсных грунтах (СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*»). Гидрогеологический мониторинг является составной неотъемлемой частью геотехнического [9, 10]. При обосновании гидрогеологической модели было придано большое значение оценке взаимосвязи поверхностных и трещинно-жильных подземных вод, так как при снижении динамических уровней подземных вод ниже уреза реки формируется инфильтрационный водозабор. В этой связи рассматривалась территория всего частного водосбора, от строительной площадки (в квартале улиц Октябрьской Революции - Челюскинцев - Бориса Ельцина - Боевых Дружин) до акватории Городского пруда на р. Исеть, русло которой приурочено к Верх-Исетскому глубинному тектоническому разлому.
В модель закладывалась возможность обнаружения потока трещинно-жильных подземных вод в водоносной зоне в оперяющем тектоническом нарушении от глубинного разлома, которое прогнозировалось по результатам региональных сейсморазведочных работ.
Другими поисковыми признаками водоносной зоны с теплыми трещинно-жильными водами были полынья во льду пруда в зимнюю межень, а также данные электроразведочных и гравиразведочных работ. Гидрогеологическая модель площадки «Екатеринбург-СИТИ» принята в виде «пласт-угол» с гидрогеодинамическими границами II рода с постоянным расходом - по боковым границам водоносной зоны тектонической трещиноватости; на урезе Городского пруда - граничное условие I рода с постоянным напором.
iol —
— западный
Соответствие гидрогеологической модели реальным условиям подтверждено экспериментом в мае 2012 г. в ходе временного прекращения законтурного вертикального дренажа строительного котлована «Башня Исеть», дно которого у западного борта было на 6 м ниже уреза Городского пруда (рис. 3 а, 4). На дне котлована были устья двух скважин, сооруженных для постоянного дренажа. Прекращение строительного водопонижения привело к самоизливам подземных вод из устьев дренажных скважин на дне котлована (по гидравлическому принципу действия Петергофских фонтанов).
По результатам эксперимента было предложено и реализовано техническое решение по отбору воды со второго подземного этажа, т. е. выше пьезометрического уровня (абс. отм. 241 м), соответствующего урезу Городского пруда.
На период временного прекращения вертикального дренажа подземного паркинга «Башня Исеть» (рис. 3. б) предусмотрено страховочное техническое решение для противодействия гидростатическому взвешивающему давлению: крепление к основанию в скальных грунтах фундаментной железобетонной плиты (толщиной 1,5 м с глубиной заложения 16,4 м) анкерными оцинкованными сваями в количестве 165 (диаметр 65,3 мм, длина 12 м).
Обоснование рационального использования откачиваемых ресурсов пресных подземных вод, добываемых по лицензии на недропользование вертикальным дренажом, регламентируется Федеральным законом «О недрах». В период 2009-2012 гг. производилось строительное водопонижение котлована «Башни Исеть». По результатам гидрогеологического и геотехнического мониторинга доказано, что воронка депрессии подземных вод имеет резко асимметричную форму и образовалась вдоль водоносной зоны тектонической трещиноватости габбрового массива до Городского пруда. Вертикальный дренаж при дебите свыше 200 м3/сут стал ин-фильтрационным водозабором в водоносной зоне тектонической трещиноватости габбрового массива, имеющей связь с рекой Исеть (гидрогеодинамическая граница с постоянным напором). Динамика изменения составляющих балансовую структуру откачиваемых ресурсов определяется дебитом строительного вертикального дренажа котлована под «Башню Исеть» и положением динамических уровней подземных вод относительно уреза Городского пруда на р. Исеть:
^^^^^^^^^^^^^ И1'2017
Рис. 3. Виды строительного котлована в габбровом массиве под четырехуровневый подземный паркинг «Башни Исеть»: а борт (июль 2012 г.); б — восточный борт (сентябрь 2010 г.)
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Рис. 4. Схема простирания тектонического клиновидного раздвига от Верх-Исетского глубинного разлома через площадку «Екатеринбург-СИТИ»: 1 — предполагаемая граница тектонического раздвига по результатам откачек и геофизических работ; 2 — проекция площадки тектонического раздвига на дневной поверхности; 3 — скважины-пьезометры, сверху номер по первоисточнику; 4 — линия тока подземных вод по трещинно-жильным коллекторам при инфильтрационном водозаборе
- при дебите ~200 м3/сут и динамическом уровне выше уреза пруда - искусственные ресурсы (ИР) ~50 м3/сут; естественные ресурсы (ЕР) ~150 м3/сут;
- при дебите ~500 м3/сут и динамическом уровне на ~20 м ниже уреза пруда - ИР ~50 м3/сут; ЕР ~150 м3/сут; привлекаемые ресурсы (ПР) ~300 м3/сут;
- при дебите ~900 м3/сут и динамическом уровне на ~30 м ниже уреза пруда - ИР ~50 м3/сут; ЕР ~150 м3/сут; ПР ~700 м3/сут (78%).
Естественный ресурсы подземных вод формируются на площадке водосбора за счет инфильтрации атмосферных осадков через техногенно загрязненные грунты зоны аэрации, поэтому на отдельных участках имеют минерализацию ~4 г/дм3 (при фоновой 0,4 г/дм3). Кроме того, ресурсы ЕР в центре мегаполиса могут изменяться непрогнозируемым образом в зависимости от возникновения новых дренажей на водосборной площади.
Искусственные ресурсы подземных вод образуются за счет утечек из теплосетей и горводопровода.
Привлекаемые ресурсы подземных вод формируются за счет инфильтрации речных вод по водоносной зоне тектонической трещиноватости габбрового массива. Городской пруд на р. Исеть расположен ниже по течению от плотины Верх-Исетского водохранилища, являющегося фактически питьевым. Качество воды Городского пруда по
11'2017 ^^^^^^^^^^^^^
большинству ингредиентов соответствует гигиеническим нормативам питьевых вод: минерализация ~0,4 г/дм3, жесткость ~3 ммоль/дм3 и т. п. Привлекаемые ресурсы инфиль-трационного водозабора «Екатеринбург-СИТИ» являются ценным природным ресурсом - при условии его защиты с помощью гидрогеодинамических барьеров от смешения с загрязненными ЕР и ИР.
Гидрогеодинамические барьеры можно обосновывать по согласованию с Медицинским научным центром Роспо-требнадзора в качестве пространственно-временных границ зоны санитарной охраны инфильтрационных питьевых водозаборов.
В Екатеринбурге, на соседнем участке Шувакишско-го габбрового массива проводится с 2007 г. успешный санитарно-гидрогеологический эксперимент по использованию ПР для водоснабжения плавательного бассейна «Тихвинъ». В подземном двухуровневом паркинге пяти-секционного дома «Тихвинъ» производится добыча ПР по лицензии на недропользование. При одновременных водозаборах из горизонтального и вертикального дренажей между ними образуется пространственно-временная гидрогеодинамическая граница, препятствующая смешению ПР и ЕР.
Таким образом, инфильтрационный водозабор «Екатеринбург-СИТИ» (под защитой гидрогеодинамических
- 11
Высотное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
барьеров с юга и сверху) мог бы стать резервным источником питьевого водоснабжения населения, а также комплекса правительственных зданий, расположенного по ул. Боевых Дружин - ул. Бориса Ельцина.
Сооружение резервных источников питьевого водоснабжения имеет социально-экологическое значение для Екатеринбурга, водоснабжение которого производится из водохранилищ, практически не защищенных от техногенного загрязнения [11-13]. Выводы.
Вертикальный дренаж уникальных подземных объектов на площадке высотного строительства «Екатеринбург-СИТИ» не оказывает воздействия на окружающую застройку, так как воронка депрессии подземных вод распространяется исключительно в локальной водоносной зоне тектонической трещиноватости габбрового массива.
При проектировании строительства новых высотных зданий «Екатеринбург-СИТИ» целесообразно соорудить в северо-восточной части площадки инфильтрационный водозабор по перехвату высококачественных привлекаемых ресурсов подземных вод со стороны Городского пруда, защитив его гидрогеодинамическими барьерами от смешения с потенциально загрязненными естественными и искусственными ресурсами.
Список литературы
1. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М.: МГГУ, 2001. 519 с.
2. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. М.: Издательство МГГУ, 2002. Т. 3. Кн. 2. 504 с.
3. Тагильцев С.Н., Лукьянов А.Е. Геомеханическая роль тектонических разломов и закономерности их пространственного расположения // Гзомеханика в горном деле: Докл. науч.-техн. конф. 12-14 октября 2011 г. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. С. 26-39.
4. Абатурова И.В. Оценка и прогноз инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых горно-складчатых областей. Екатеринбург: УГГУ,
2011. 226 с.
5. Alehin V.N., Antipin A.A., Gorodilov S.N. Analysis of wind impact on the high-rise building «Iset Tower». Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 281, pp. 639-644.
6. Яровой Ю.И. Прогноз деформаций земной поверхности и защита городской застройки при строительстве метрополитенов на Урале. Екатеринбург: УрГАПС, 1999. 258 с.
7. Сковородников И. Г. Геофизические исследования скважин. Екатеринбург: УГГУ, 2014. 455 с.
8. Скалин А.В. Гидрогеомеханические исследования интрузивных массивов при обосновании высотного строительства // Геоэкология. 2009. № 3. С. 271-278.
9. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов.
2012. № 2. С. 17-20.
10. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Гид по геотехнике. СПб.: ПИ «Геореконструкция», 2012. 284 с.
11. Яндыганов Я.Я., Власова Е.Я., Скалин В.А. Водохозяйственный кластер промрайона (проблемы, эффективность). Екатеринбург: УГЭУ, 2016. 281 с.
12. Носаль А.П., Шубарина А.С., Сокольских И.И. Повы-
шение безопасности водоснабжения крупных населенных пунктов в период маловодья (на примере города Екатеринбурга) // Водное хозяйство России. 2011. № 6. С. 33-46.
13. Палкин С.В., Палкин С.С., Рыбникова Л.С. К вопросу о возможности полного водообеспечения города Екатеринбурга подземными водами // Водное хозяйство России. 2011. № 5. С. 75-88.
References
1. Mironenko V.A. Dinamika podzemnykh vod [Dynamics of underground waters]. Moscow: MGGU, 2001. 519 p.
2. Mironenko V.A., Rumynin V.G. Problemy gidrogeologiyi [Problems of hydrogeoecology]. Moscow: MGGU. 2002. 504 p.
3. Tagiltsev S.N., Lukyanov A.E. A geomechanical role of tectonic breaks and regularity of their spatial arrangement. Geomechanics in mining: Materials of Scientific and Tekhnikal Conferents. October 12-14, 2011. Yekaterinburg: IGD OURO RAHN, 2012, pp. 26-39. (In Russian).
4. Abaturova I.V. Otsenka i prognoz inzhenerno-geologi-cheskikh uslovii mestorozhdenii tverdykh poleznykh iskopaemykh gorno-skladchatykh oblastei [Assessment and forecast of engineering-geological conditions of fields of solid minerals of mountain and folded areas]. Yekaterinburg: UGGU. 2011. 226 p.
5. Alehin V.N., Antipin A.A., Gorodilov S.N. Analysis of wind impact on the high-rise building «Iset Tower». Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 281, pp. 639-644.
6. Yarovoy Yu.I. Prognoz deformatsii zemnoi poverkhnosti i zashchita gorodskoi zastroiki pri stroitel'stve metropolitenov na Urale [The forecast of deformations of the land surface and protection of urban development at construction of the subways in the Urals]. Yekaterinburg: UrGAPS. 1999. 258 p.
7. Skovorodnikov I.G. Geofizicheskie issledovaniya skvazhin [Geophysical surveys of wells]. Yekaterinburg: UGGU. 2014. 455 p.
8. Skalin A.V. Hydrogeomechanical prospecting of intrusive massifs for basing of many-storied construction. Geoekologiya. 2009. No. 3, pp. 271-278. (In Russian).
9. Il'ichev V.A., Mangushev R.A., Nikiforova N.S. Development of underground space in large Russian cities. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2012. No. 2, pp. 17-20. (In Russian).
10. Ulitskii V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Gid po geo-tekhnike [Geotechnical Guide]. Saint Petersburg: Geore-konstruktsiya, 2012. 284 p.
11. Yandyganov Ya.Ya., Vlasova E.Ya., Skalin V.A. Vodo-khozyaistvennyi klaster promraiona (problemy, effektivnost') [Water management cluster of a promrayon (problems, efficiency)]. Yekaterinburg: UGEU. 2016. 281 p.
12. Nosal A.P., Shubarina A. S., Sokolskikh I.I. Increase in safety of water supply of large settlements in the period of lack of water (on the example of the city of Yekaterinburg). Vodnoe khozyaistvo Rossii. 2011. No. 6, pp. 33-46. (In Russian).
13. Palkin S.V., Palkin S.S., Rybnikova L.S. To a question of a possibility of full water supply of the city of Yekaterinburg underground waters. Vodnoe khozyaistvo Rossii. 2011. No. 5, pp. 75-88. (In Russian).
12
112017
