CC BY
67Белов Александр Алексеевич
кандидат географических наук, доцент, кафедра физической и социально-экономической географии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
alexlbel@mail. т
Кирюшин Александр Владимирович
кандидат географических наук, доцент, кафедра экологии и природопользования, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
kir_av@mail. т.
УДК 699.82(470.345)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
В статье дается оценка влияния наиболее опасных геологических процессов на инженерные сооружения, происходящие на территории Республики Мордовия. Хозяйственная деятельность человека меняет ход многих рельефообразующих процессов. Статья дает анализ рельефа территории для оценки его геодинамической устойчивости, определяет факторы, обуславливающие особенности развития опасных оползневых обвальных и других процессов. Рассмотрены также способы борьбы с гидрогеологическими отрицательными последствиями для строительства.
Ключевые слова: геологические процессы, оползни, подтопление территорий, обвалы, рельеф, факторы, литологический состав, ландшафт, зона аэрации, инженерные сооружения, защитные мероприятия.
Для того чтобы дать оценку влияния геологических процессов на инженерные сооружения, необходимо понять их природу. Одни геологические процессы, протекающие в недрах земной коры и на её поверхности, по времени, протекают медленно, другие - катастрофически быстро. К ним относятся различного рода обвалы, оползни, разливы рек, подтопление территорий и другие процессы. Общие черты рельефа обычно изменяются достаточно медленно. Быстро протекающие рельефообразующие процессы часто приводят к существенным изменениям земной поверхности. Их внезапное возникновение трудно предсказуемо. В связи с этим в предполагаемых районах строительства необходимо определить возможность проявления тех или иных опасных геологических процессов, установить пространственные границы опасных зон,
чтобы не создавать там крупных инженерных объектов, не сосредоточивать в них население.
В целях оценки развития опасных для строительства геологических процессов полезно определить геодинамическую устойчивость рельефа территории. Его характеристика должна включать в себя количественную оценку как эндогенных, так и экзогенных процессов, которые изменяют положение дневной поверхности или нарушают структуру пород подземной гидросферы, что в свою очередь может стать причиной катастрофических изменений рельефа Земли [1].
Еще с давних времен человек изменял рельеф, главным образом в его микро- и мезоформах, создавая насыпи, рвы и выровненные площадки. В настоящее время его рельефообразующая деятельность прямо или косвенно нарушает систему динамического равновесия в природе. При этом прямые изменения могут быть локальными и региональными. Локальные изменения обычно бывают обратимыми, а региональные - как правило, необратимыми.
На территории Мордовии можно выделить три основных вида человеческой деятельности в той или иной степени видоизменяющие формы рельефа: инженерно-строительная, горнотехническая и сельскохозяйственная. При рассмотрении антропогенных изменений рельефа на территории Мордовии можно выделить прямые, в том числе целенаправленные, и косвенные, часто неуправляемые, воздействия человека на рельеф. При прямом воздействии создаются, например, валы, насыпи дорог, траншеи, ведется разработка месторождений полезных ископаемых и т.д. Косвенное воздействие на рельеф может возникать вследствие зарегулирования рек, сокращения площади и сроков затопляемости пойм, приводящего к понижению уровня грунтовых вод, отмиранию протоков и стариц, дефляции, а также, например, к усилению эрозионных процессов после уничтожения естественного растительного покрова и т.д.
Инженерно-строительная деятельность людей в основном преследует цель снивелировать земную поверхность. Она является одним из главных факторов целенаправленного воздействия человека на поверхность литосферы.
Всю инженерно-строительную деятельность людей можно подразделить на ряд видов деятельности: городское строительство, автодорожное строительство, строительство гидросооружений.
На территории Мордовии наиболее значительное городское строительство осуществляется в г. Саранске и г. Рузаевке. Строительство приводит к снижению контрастности рельефа за счет засыпки понижений, а также уменьшения возвышенных участков [2]. В результате уничтожения естественного травяного покрова происходит быстрое увеличение плоскостного смыва и увеличение скорости денудации.
Устойчивость склона, нарушаемая природными процессами или инженерной деятельностью людей, вызывает оползни и обвалы. Когда силы связности горных пород оказываются меньше, чем сила тяжести, вся масса на склоне приходит в движение. Оползни могут разрушать отдельные инженерные сооружения и подвергать опасности целые населённые пункты. Они угрожают
сельскохозяйственным угодьям, затрудняют обработку и губят их. Они создают опасность при эксплуатации карьеров и добыче полезных ископаемых. Оползни повреждают коммуникации, туннели, трубопроводы, телефонные и электрические сети, угрожают водохозяйственным сооружениям, главным образом плотинам. Кроме того, они могут перегородить долину, образовывать временные озёра и способствовать наводнениям.
Оползание происходит в рыхлых слабосцементированных породах вследствие того, что крутой и высокий склон по мере подрезания его рекой или водохранилищем теряет свою устойчивость и значительные земляные массы крупными блоками начинают смещаться вниз по склону. Оползневое движение всегда связано с наличием грунтовых вод, а их обилие - необходимое условие оползания. Для возникновения оползней наиболее благоприятны такие геологические условия, при которых в основании оползневого склона залегают водоупорные пласты, а выше лежат водоносные породы.
Оползни могут быть вызваны действием разных факторов. Земная поверхность состоит главным образом из склонов. Некоторые из них устойчивы, другие - в силу различных условий становятся неустойчивыми. Это происходит тогда, когда изменяется угол наклона откоса склона или когда склон отягощён рыхлым материалом. Неустойчивости склона способствует и повышение обводнённости грунтов, рыхлых отложений или горных пород. Вода заполняет поры и нарушает сцепление между частицами грунта. Межпластовые воды могут действовать подобно смазке и облегчать скольжение. Связность горных пород может быть нарушена при замерзании и процессах выветривания. Неустойчивость склонов может быть связана и с изменением вида насаждений либо уничтожением растительного покрова. На территории Республики Мордовия оползни приурочены к крутым склонам оврагов, балок, речных долин. Оползни широко распространены на платформенных равнинах, где они приурочены к берегам рек. Всего было выявлено 1377 проявлений оползневых процессов. Источником данных о расположении оползней послужили фондовые материалы Управления природных ресурсов Республики Мордовия [3].
Ухудшение несущих свойств грунтов оснований, вызывающее деформации строений, возникает при увеличении влажности грунтового массива, которое может происходить как за счет градиента температур, проникновения в грунт атмосферных осадков, инфильтрации воды, теряемой из подземных коммуникаций, поливов растительности, так и при подъеме уровня грунтовых вод. Борьба с вредными последствиями данного явления ведется с помощью активных, пассивных и защитно-профилактических мероприятий. Активные мероприятия предназначены для предупреждения деформаций зданий и сооружений. К ним относятся ликвидация просадочных свойств грунтов различными способами и прорезка глубокими фундаментами или сваями всей просадочной толщи или ее части.
Практика строительства на лессовых просадочных грунтах позволяет сделать вывод, что для ответственных зданий целесообразно устранять просадочные свойства на всю мощность просадочной толщи или производить
полную ее прорезку фундаментами. Для менее ответственных строений просадочность ликвидируют только частично, одновременно предохраняя от замачивания ту часть толщи, которая осталась просадочной. Устранение просадочных свойств всей толщи грунтового массива позволяет строить здания без дополнительных мероприятий. Этот метод наиболее надежен, но не всегда экономически целесообразен.
Важными в профилактике деформаций строений являются водозащитные мероприятия. Их вид и объем определяются грунтовыми условиями площадки, конструктивными особенностями зданий и сооружений, количеством потребляемой в процессе эксплуатации воды и технико-экономическим расчетом [4].
Наиболее эффективным в лессовых и других слабоводопроницаемых грунтах считается горизонтальный дренаж. Об этом свидетельствует тот факт, что на орошаемых землях, где строительство дренажа в стране выполняется на десятках миллионов гектаров, водопонижение непосредственно в лессовых грунтах, как правило, производится с помощью горизонтальных дрен. Вертикальный дренаж в зоне орошения используется только в случае залегания в основании лессовой толщи достаточно хорошо водопроницаемого пласта, в результате чего понижается напор содержащейся в нем воды и, следовательно, уровень гидравлически связанных с нею грунтовых вод, находящихся в лессовых грунтах.
Таким образом, в условиях застройки целесообразнее применять вертикальный дренаж. Основное преимущество вертикального дренажа -возможность бурения скважин практически в любом месте города или предприятия, где возникает в этом необходимость. Кроме того, если горизонтальный дренаж проще и дешевле прокладывать выше уровня грунтовых вод, то строительство вертикальных дрен не зависит от степени обводнения грунтов.
Для борьбы с подтоплением отдельных зданий в районах новостроек применяется пластовый дренаж, представляющий собой песчано-гравийную подушку, располагаемую под зданием или сооружением. Если сброс дренируемых вод в этом случае осуществляйся через поглощающую скважину, то такой вид дренажа нужно рассматривать как комбинированный. Применение пластовых дренажей под всеми строящимися зданиями, является эффективным мероприятием по борьбе с подтоплением территории. Пластовый дренаж в основании здания также уменьшает его деформации, которые могут возникнуть в случае подъема уровня грунтовых вод или за счет накопления влаги в зоне аэрации.
Процесс подтопления территорий Республики Мордовия формируется первым от поверхности горизонтом грунтовых вод. Мощность зоны аэрации в пределах существующих ландшафтов Мордовии изменяется от 0,1 до 43,8 м, уменьшение происходит от водоразделов к долинам рек и ручьёв, распространено заболачивание. Наибольшее развитие процессов подтопления на территории Мордовии приурочено к участкам высокого стояния уровня грунтовых вод - 2,0-2,5 м от земной поверхности, наиболее ярко представлены
в пределах днищ долин, тем не менее, имеют распространение и в прирусловых частях.
На основе обобщения имеющихся материалов гидрогеологических съёмок, установлено четыре вида режима: приречный, террасовый, склоновый, междуречный. На основе анализа карты глубины залегания уровня грунтовых вод, карты ландшафтов Республики Мордовия, фондовых материалов была составлена карта территорий вероятного подтопления Мордовии. Недостаточность фактического материала, а именно отсутствие режимных наблюдений за уровнем грунтовых вод на территории Мордовии, отсутствие данных об использовании и хозяйственном освоении территории позволило выполнить лишь схематическую оценку развития процесса подтопления территории, имеющую общий региональный характер.
В основу проведённых исследований положена информация о характере залегания уровня грунтовых вод, имеющих распространение в различных ландшафтных зонах рассматриваемой территории [5]. Здесь следует особо подчеркнуть наличие естественного подтопления, т.е. в природных условиях, когда уровень грунтовых вод находится на глубине до 2,5 м от земной поверхности и не связан с воздействием техногенного фактора, а также естественное природное заболачивание территории.
Причиной подтопления территорий является совокупное воздействие:
- естественных факторов подтопления, которое предопределяется естественным водным режимом территории;
- формирование искусственного водного режима в условиях инженерного освоения, приводящего к накоплению грунтовых вод в зоне и влаги в зоне аэрации.
Подтопление препятствует нормальной эксплуатации зданий и сооружений. В борьбе с подтоплением населенных пунктов большое значение имеет учет антропогенных воздействий на подземную гидросферу.
Изыскания для борьбы с подтоплением застроенных территорий — новое, специфическое направление изыскательских работ. Они не унифицированы, не стандартизированы, не освещены в инструкциях, рекомендациях и руководствах. Отсутствие указанных документов приводит к субъективизму при проведении изысканий и снижению качества работ.
В числе причин подтоплений городов и промышленных предприятий можно назвать: недостаточность и недоброкачественность изысканий, обусловленные отсутствием соответствующих нормативных документов; отсутствие в отчетах рекомендаций по прогнозу уровня грунтовых вод, изменению физико-механических свойств грунтов, по защитным мероприятиям и т д., ошибки в проектировании, вызванные недоучетом природно-водохозяйственных условий; недоучет природно-водохозяйственных условий при производстве строительных работ; неправильная эксплуатация застроенных территорий, приводящая к изменению гидрогеологических и инженерно-геологических условий. В результате интенсивной хозяйственной деятельности человека в городах под влиянием планировочных работ резко изменяется естественный рельеф, перемещается огромное количество
грунтовых масс, засыпаются овраги и балки, что обусловливает формирование так называемого «культурного слоя». Подчас перестраивается гидрографическая сеть. Перечисленные обстоятельства вынуждают закладывать для разведочных целей значительно большее число искусственных выработок, чем на объектах, на которых антропогенные явления отсутствуют. Однако на тех территориях, где ведется интенсивное строительство, при оптимизации объемов работ надо принимать во внимание возможность использования фактического материала по ранее пройденным выработкам, если его содержание и качество будут соответствовать задачам намечаемых исследований.
Для успешного выбора мероприятий, обеспечивающих целесообразную степень водопонижения, определяющую роль играют сведения о геологическом строении, гидрогеологических условиях и водно-физических свойствах грунтов объекта исследований. Детальные гидрогеологические исследования предусматривают также организацию наблюдений за режимом подземных вод. Наблюдения необходимо планировать на достаточно длительный период, чтобы по фактическим данным можно было проверить результаты расчетов прогноза подъема уровня антропогенных вод и эффективность построенного дренажа [6].
Наряду с повышением влажности грунтов за счет градиента температуры в процессе эксплуатации строений их влажность часто увеличивается в результате воздействия ряда других факторов: атмосферных осадков, утечек из канализаций, водопровода, сетей отопления и горячего водоснабжения, а также поливов растений, посаженных вблизи зданий, замачивания лессовых грунтов оснований через полосы зеленых насаждений и примыкающие к зданиям неисправные отмостки. Поэтому ожидаемое воздействие указанных факторов должно учитываться в отчетах по изысканиям. В случае обводнения просадочных лессовых грунтов оснований в пределах активной зоны, формирующейся под влиянием веса строений, возникают осадки фундаментов. Неравномерность замачивания и несущих свойств грунтов оснований, а также разные нагрузки, передаваемые отдельными конструктивными элементами строений, обусловливают неравномерность перемещения последних и как следствие - их деформации. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости строений и сооружений является одной из задач изысканий.
В некоторых городах наблюдается спад уровня грунтовых вод. Несмотря на наличие большой инфильтрации, влияние откачки воды из нижележащих водоносных горизонтов в этом случае получается настолько большим, что равнодействующая обоих процессов оказывается направленной вниз. Снижение уровня первого от поверхности горизонта совместно с другими факторами (статическими и динамическими нагрузками, подземными подработками и др.) обусловливает оседание поверхности земли. Причина оседания заключается в возникновении дополнительного давления при снижении напоров подземных вод, равного весу столба воды, на который был уменьшен пьезометрический уровень. Таким образом, отрицательные последствия нарушения водного
баланса застроенных территорий, которые нужно учитывать в отчетах по изысканиям, можно объединить в три основные группы:
- обусловливающие деформации строений вследствие ухудшения несущих свойств грунтов оснований фундаментов;
- вызывающие затопление грунтовыми водами объектов различного назначения;
- способствующие активизации оползневых процессов [7].
Способы борьбы с гидрогеологическими отрицательными последствиями строительства устанавливаются в зависимости от принадлежности последних к той или иной группе. Оценка влияния геологических процессов на инженерные сооружения, позволяет своевременно провести комплексные защитные мероприятия.
Список использованных источников
1. Ананьев В. П., Потапов А. Д. Инженерная геология. М. : Высш. школа, 2011. 575 с.
2. Белов А. А. Геологические аспекты взаимосвязи рельефа и подземных вод (на примере Республики Мордовия) : дис. ... канд. геогр. наук. Смоленск, 2003. 216 с.
3. Белов А. А. Загрязнение подземных вод и природной среды в результате инженерной деятельности человека // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. Саранск, 2014. С. 342-345.
4. Кирюшин А. В. Факторное моделирование ландшафтной структуры Республики Мордовия. Саранск : Мордов. гос. ун-т, 2006. Деп. В ВИНИТИ 24.10.2006, № 1256-В2006.
5. Кирюшин А. В. Факторная модель структуры ландшафтов Мордовии: дис. ... канд. геогр. наук. М., 1999. 193 с.
6. Маскайкин В. Н. Влияние климата на рельеф Мордовии // Научные труды SWorld. 2015. Т. 20, № 2 (39). С. 44-48.
7. Ямашкин А. А., Сафонов В. Н., Шутов А. М. и др. Водные ресурсы Республики Мордовия и геоэкологические проблемы их освоения. Саранск, 1999. 188 с.
Belov Alexander
Doctor of Geography, Associate Professor, Department Physical and Socioeconomic Geography, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education National Research N. P. Ogarev Mordovia State University
alexlbel@mail. ru
Kiryushin Alexander
PhD in Geography, Associate Professor, Department Ecology and Environmental Sciences, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education National Research N. P. Ogarev Mordovia State University
kir_av@mail. ru
THE EVALUATION OF GEOLOGICAL PROCESSES INFLUENCE ON ENGINEERING STRUCTURES
The article assesses the influence of the most dangerous geologic processes on engineering structures that occur on the territory of the Republic of Mordovia. Human activities modify the current of many relief-forming processes. The article gives the landform analysis to assess its geodynamic stability and specifies the factors that determine the peculiarities of extension of landslide, avalanche and other processes. It also considers ways to prevent hydrogeological negative consequences for construction.
Key words: geological processes, landslides, flooding of territories, landslides, relief, factors, lithologic composition, landscape, aeration zone, engineering structures, protective measures.
