CC BY
85
УДК 624.131.1/.23
ПРОГНОЗ ПОДТОПЛЕНИЯ ЛЕССОВЫХ ТЕРРИТОРИИ МЕТОДОМ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ВЕРОЯТНОСТНЫХ АНАЛОГИЙ
© 2013 г. О.Н. Осипова, Ю.И. Олянский, Т.М. Тихонова, И.Ю. Кузьменко
Осипова Оксана Николаевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркаский политехнический институт). E-mail: oksana.osipova9@mail.ru
Олянский Юрий Иванович - д-р геол.-минер. наук, профессор, кафедра «Земляные и гидротехнические сооружения», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: olyansk@list.ru
Тихонова Таисия Михайловна - аспирант, кафедра «Экологическая безопасность, строительство и городское хозяйство», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: taisiya-555@mail.ru
Кузьменко Ирина Юрьевна - аспирант, кафедра «Земляные и гидротехнические сооружения», Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: olyansk@list.ru
Osipova Oksana Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Civil and Industrial Engineer Geotechnological and Foundation Engineering», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: oksana.osipova9@mail.ru
Olyansky Yury Ivanovich - Doctor of Geologo-Mineralogical Sciences, professor department «Earth and Hydraulic Engineering Constructions», Volgograd State Architectural and Construction University. E-mail: olyansk@list.ru
Tikhonov Taisiya Mikhaelovna - graduate student, department «Ecological Safety of Construction and Municipal Economy», Volgograd State Architectural and Construction University. Email: taisiya-555@mail.ru
Kuzmenko Irina Yurevna - graduate student, department «Earth and Hydraulic Engineering Constructions», Volgograd State Architectural and Construction University. department -mail: olyansk@list.ru
На примере территории г. Кишинева выявлены основные закономерности обводнения и подтопления лессовых толщ. Полученные результаты использованы для составления прогнозной карты подтопления территории города Кишинева.
Ключевые слова: лессовые породы; подтопление; факторы подтопления.
On the example of the territory of Kishinev, the main regularities of flood and flooding of loessial thicknesses are revealed. The received results are used for drawing up the expected card offlooding of the territory of the city of Kishinev.
Keywords: loessial breeds; flooding; flooding factors.
Особенностями инженерно-геологического строения территории г. Кишинева являются: почти повсеместное распространение лессовых просадочных грунтов мощностью до 20 - 30 м, залегающих на водоупорных глинах или песках неогена различной мощности, и пересеченный рельеф, проявляющийся в наличии небольших плоских или овальной формы водоразделов с хорошо развитыми условиями поверхностного стока. Природными дренами служат многочисленные балки и овраги, способствующие, с одной стороны, сбору и отводу поверхностных вод с застроенных территорий, а с другой - служащие природными дренами подземных вод.
Первые сведения о подтоплении отдельных участков города относятся к концу 70-х - началу 80-х гг. прошлого столетия [1, 2]. К этому же времени приурочены многочисленные деформации зданий и сооружений, возведенных на просадочных грунтах [1, 3]. Последние напрямую были связаны с явлением подтопления участков массовой застройки лессовых территорий в черте города.
В связи с вышеизложенным, в рамках проводимых инженерно-геологических исследований для целей сейсмического микрорайонирования террито-
рии города, расположенной в 7-балльной сейсмической зоне, сотрудниками АН Молдавии выполнялись работы по прогнозированию подтопления на вновь застраиваемых участках города. Исходным материалом для исследований послужили застроенные территории города, на которых уже активно развивалось подтопление. Были детально изучены инженерно-геологические условия отдельных застроенных микрорайонов и проанализированы закономерности обводнения лессовых толщ различной мощности, лито-логического состава, условий залегания и распространения в увязке с рельефом и условиями дренирован-ности территории, т.е. с тем, что называется пассивным факторами подтопления [3]. Главным концептуальным положением, служащим основой работы, явилось утверждение, что активные факторы неизбежно сопутствуют строительному освоению территории, однако характер обводнения и его интенсивность определяются совокупным действием пассивных факторов, таких как: геологическое строение, геоморфология, рельеф, мощность и литологический состав лессовых пород, характер отложений, подстилающих лессовую толщу, дренированность территории, гидрогеологические условия [4 - 7].
В табл. 1 представлены результаты, характеризующие интенсивность подтопления в микрорайоне Ботаника, являющемся водоразделом шириной около 5 км между двумя крупными балками. Лессовая толща мощностью до 20 - 25 м подстилается здесь неогеновыми песками мощностью до 12,5 м. Выявлена следующая закономерность: интенсивность подтопления уменьшается по направлению от водораздела к склонам балок и в области разгрузки «техногенного» водоносного горизонта составляет 0 м. Установлено соотношение между мощностью подстилающих лессовую толщу песков, расстоянием до фронта разгрузки подземных вод и скоростью подтопления. В примере из табл. 1 эта мощность не превышает 6,0 м, вследствие чего пески не обеспечивают в достаточной степени условия дренирования территории. При увеличении их мощности до 12 - 15 м условия дренирования улучшаются, и скорость подтопления уменьшается. Это подтверждается следующим примером: площадка жилого дома № 18 - по ул. Роз и жилого дома № 8 - по пр. Мира. В первом случае скорость подтопления составила 0,05 м/год, во втором -0,3 м/год [3, 8].
В табл. 2 приведены сведения о скоростях подтопления территорий в зависимости от глубины залегания уровня подземных вод. Приведенные данные подтверждают выводы некоторых авторов о том, что по мере подъема уровня подземных вод, вследствие увеличивающихся испарений, транспирации и разгрузки в дренажи, происходит снижение скорости подъема. Если при глубине залегания уровня более 10 м скорость его подъема на водоразделах достигла 1,0 - 1,5 м, то при меньших глубинах она не превышает 0,5 - 0,8 м/год, понижаясь при подъеме до 0,2 м/год.
Анализ природных факторов, вызывающих подтопление территории города и обусловливающих его характер, свидетельствует, что главными из них являются: мощность лессовой толщи, литологический состав подстилающих лессовую толщу отложений, мощность толщи подстилающих песков, расстояние до фронта разгрузки грунтового потока, уклон поверхности между подтапливаемой площадкой и ближайшим эрозионным врезом, дренирующим поверхностные воды [9, 10]. Для подтверждения полученных выводов и определения степени влияния этих показателей на прогнозируемый процесс все они разделены на три группы: геоморфологические, геолого-гидрогеологические и гидрогеологические.
Таблица 1
№ п/п Местоположение площадки Расстояние до фронта нагрузки Высота подъема уровня на 1980 - 1981 гг. Средняя скорость подъема уровня, м/год Мощность толщи подстилающих песков, м
1 Пр. Мира, № 8 0,5 2,5 0,3 3,0
2 Ул. Тимошенко, ПТУ 1,0 7,0 0,5 6,0
3 Ул. Винницкая, № 30 2,0 0,1 0,9 3,0
4 Пересечение ул. Ровенскогой и Закарпатской 1,7 12,5 1,0 6,0
5 Пересечение ул. Бельского и Белградской 2,6 13,9 1,1 0,5
Таблица 2
Скорость подтопления территорий г. Кишинева
№ п/п Местоположение площадки Интервалы колебания уровней и скорость подъема
Интервал подъема, м Скорость, м/год Интервал подъема, м Скорость, м/год
1 Пересечение ул. Бельского и Винницкой 13,5 - 5,5 1,0 5,5 - 3,4 0,8
2 Пересечение ул. Чернышевского - Энгельса 16,0 - 15,5 0,5 15,5 - 14,0 0,3
3 Пересечение ул. Бельского и Белградской 18,5 - 7,0 1,6 7,0 - 4,6 0,5
4 Школа № 45 в районе Рышкановка 16,0 - 15,0 0,9 15,0 - 8,5 0,4
5 Ул. Панфилова, № 9-а 7,2 - 2,4 0,4 4,0 - 2,7 0,2
6 Пересечение ул. Тимошенко и пр. Мира 9,7 - 8,2 1,5 8,2 - 5,6 0,5
Интенсивность подтопления территории в зависимости от расстояния до фронта разгрузки подземных вод
В соответствии с первой теоремой физического подобия [11] у подобных явлений безразмерные комплексы (комбинации) величин, отражающие связи между существенными характеристиками явления, соответственно равны. Принимая условие, что подтопление различных территорий города выражает подобные явления, можно определить весовые коэффициенты участия различных показателей природных характеристик в данном процессе. Каждой группе признаков соответствует определенный инженерно-геологический критерий.
Геоморфологический критерий, отражающий геоморфологическое строение района, принимается соответствующим среднему уклону поверхности между подтапливаемой площадкой и ближайшим эрозийным врезом, дренирующим поверхностные воды.
Геолого-гидрогеологический критерий, отражающий литологическое строение зоны аэрации и длину пути фильтрации подземных вод, принимается согласно выражению
Nл + N
L
где - мощность лессовой толщи; Ып - мощность толщи подстилающих песков; 1ф - длина пути фильтрации подземных вод до фронта разгрузки.
Гидрогеологический критерий, определяющий высоту подъема (hп) подтопленного уровня на определенный период и расстояние до фронта разгрузки подземных вод (1ф), принимается как их соответствие
К/ 1ф .
Результаты расчетов весовых коэффициентов, приведенные в табл. 3, показывают, что все указанные факторы оказывают влияние на подтопление, однако вклад их различен. Решающее значение имеют гидрогеологические факторы, доля вклада других факторов значительно меньше. Тем не менее для получения объективных сведений о развитии процесса все они должны учитываться в равной степени.
Прогноз подтопления лессовых толщ территории г. Кишинева
Существует несколько методов прогноза, таких, как гидродинамический, математического моделирования на ЭВМ и метод инженерно-геологических аналогий.
Первые два метода, наряду с преимуществами, имеют ряд существенных недостатков, к которым следует отнести необходимость определения утечек производственно-хозяйственных вод и образование других источников обводнения, детальное изучение фильтрационных свойств пород и др. Эти работы требуют больших материальных затрат, что значительно сдерживает решение проблемы, особенно в городских условиях, когда территория застраивается зданиями и сооружениями различной ведомственной принадлежности.
В связи с вышесказанным в настоящее время для решения вопроса прогноза подтопления широко используется метод инженерно-геологических аналогий, в основу которого положены глубокие знания природных условий застраиваемых территорий и изменение их под влиянием инженерной деятельности. Особое значение имеет прогнозирование подтопления на территории г. Кишинева и близлежащих районов, расположенных в 6 - 8-балльной сейсмической зоне.
Прогноз подтопления лессовых территорий заключается в решении трех задач:
а) определение вида подтопления («скрытое» или «явное»);
б) определение средней скорости подъема уровня подземных вод;
в) определение глубины залегания подтопленного уровня.
А. Решающим фактором при определении вида подтопления является дренирование лессовых толщ [12]. «Скрытое» подтопление имеет место на участке с очень хорошими условиями дренирования, когда в основании лессовой толщи лежит региональный дренирующий горизонт (для территории г. Кишинева это известняки среднего сармата) либо гравийно-галечниковые породы и крупные пески, обеспечивающие хорошие условия фильтрации подземных вод областям разгрузки.
Таблица 3
Весовые коэффициенты влияния различных природных факторов на скорость подтопления территории г. Кишинева
Средняя скорость подъема уровня подземных вод, м/год Природные факторы
Геоморфологические Геолого-гидрогеологические Гидрогеологические
0,0-0,2 0,001 0,003 0,996
0,2-0,4 0,271 0,580 0,149
0,4-0,6 0,004 0,133 0,863
Более 0,6 0,107 0,146 0,747
Среднее 0,096 0,216 0,688
Во всех остальных случаях застройка территории и неизбежное проявление активных факторов вызывает «явное подтопление» - подъем уровня подземных вод, скорость и высота которого обусловлены геолого-геоморфологическими и гидрогеологическими условиями.
Б. Определение возможной средней скорости подъема уровня подземных вод может производиться с использованием вероятностно-математического метода, в основе которого лежит теорема Байеса, формулируемая следующим образом. Пусть А1, А2,...,- попарно несовместимые события, хотя бы одно из которых обязательно наступает, Вг - некоторые события. Тогда вероятность реализации события при условии, что наступит событие Вг, выражается формулой:
Р(Л )ПР(Вг / AJ)
РА / Вг) =-^-,
° 1 т п
Е Р(AJ )П Р(Вг / AJ )
J=1 1=1
где Р(А_/ / Вг) - условная вероятность события А при фактическом наступлении события Вг; Р(Вг / А) -вероятность реализации события Вг при данном А; РА) - априорная вероятность события А_/.
В качестве прогнозных признаков используются следующие: мощность лессовой толщи и подстилающих песков, средний уклон поверхности между площадкой прогнозируемого подтопления и областью дренирования поверхности вод, расстояние до области разгрузки грунтового потока.
По интенсивности возможного подтопления участки делятся на 4 вида: а) слабоподтопляемые -средняя скорость подъема уровня подземных вод 0- 0,3 м/год; б) среднеподтопляемые - 0,3 - 0,6 м/год; в) сильноподтопляемые -0,6 - 0,9 м/год; г) очень сильно подтопляемые > 0,9 м/год. Эмпирические оценки вероятностей факторов для участков различной степени подтопления приведены в табл. 4 и основаны на глубоком и всестороннем изучении характера развития процесса на территории города:
- для участков, в пределах которых в зоне аэрации распространены только лессовые породы или лессовые толщи подстилаются пылеватым песком мощностью не менее 6 - 8 м, подтопление центральной части территории осуществляется до глубины 1 - 2 м, в области же разгрузки грунтового потока глубина залегания подтопленного уровня находится в соответствии с отметкой в области дренирования;
- для участков, в пределах которых лессовые породы подстилаются мелкими и пылеватыми песками мощностью более 15 м, глубина подтопленного уровня не превышает отметки кровли песков;
Таблица 4
Эмпирические оценки вероятностей прогнозных факторов
Степень подтопления
Прогнозные факторы Слабо- Средне- Сильно- Очень сильно
подтопляемые подтопляемые подтопляемые подтопляемые
Уклоны поверхности
0 - 0,03 - - 0 0
0,03 - 0,06 0,068 0,034 0,034 0,103
0,06 - 0,09 0,173 0,208 0,034 0,139
более 0,09 0,035 0,070 - -
Расстояние до области разгрузки
подземных вод, км,
0 - 0,5 0,312 0,172 0 0
0,5 - 1,0 0,034 0,070 0,068 0
1,0 - 1,5 0 0,069 0,034 0,173
более 1,5 0 0 0 0,068
Мощность лессовой толщи, м,
0 - 5 0,034 0,034 0 0
5 - 10 0,103 0,069 0 0,069
10 - 15 0,174 0,070 0,069 0,069
15 - 20 0,034 0,069 0 0,108
более 20 0 0,069 0 0,069
Литологический состав подсти-
лающих пород (глина, песок)
мощностью, м, 0,069 0,103 0,172 0,138
0 - 5 0,034 0,107 0 0,034
5 - 10 0,108 0,034 0 0
10 - 15 0,312 0,172 0 0
- для участков с мощностью толщи подстилающих песков 8 - 15 м глубина установившегося уровня находится в зависимости от геоморфологических условий и близости области разгрузки грунтового потока и, как правило, превышает глубину 3 - 4 м.
Указанная методика прогнозирования использована для составления «Схематической прогнозной карты подтопления территории г. Кишинева» в масштабе 1:25000 (рисунок).
Условные обозначения
Породы подстилающие лессовую толщу:
Прогнозируемая скорость м'год:
. 13,0
13,0- глубина установившегося уровня после завершения подтопления (в м.)
10,9- высота подъема уровня подземных вод; 0,9- скорость подъема (в мтод);
Схематическая карта подтопления территории г. Кишинева
Литература
1. Особенности развития просадок лессовых грунтов при подъеме уровня грунтовых вод // тр. межвуз. конф. по строительству на лессовых грунтах: тез. докл. М., 1973. С. 59 - 60.
2. Орлов С.С. Основные причины затопления территории Кишинева и способы борьбы с ним // Физико-географические особенности Молдавии. Кишенев, 1982. С. 65 - 70.
3. Олянский Ю.И., Гончаров В.С. Влияние пассивных факторов подтопления на подъем уровня грунтовых вод на территории г. Кишинева // Сб. ВИНИТИ, 1983. № 6.
4. Олянский Ю.И., Гончаров В.С. Техногенное изменение влажности в лессовых грунтах города Кишинева // Подготовка оснований зданий и сооружений, строящихся на просадочных грунтах: тез. докл. республиканского совещания 26-27 мая 1981 г. Кишинев, 1982. С. 26 - 28.
5. Резник Я.М. Анализ причин повышения уровня грунтовых вод на территории нового жилого района Одессы // Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве: материалы VIII Всесоюз. совещания. Киев, 1974. С. 74 - 75.
6. Рекомендации по прогнозам подтопления промышленных площадок грунтовыми водами. М., 1976. 325 с.
7. Котлов Ф.В. Антропогенные геологические процессы и явления на территории города. М., 1977, 171 с.
8. Олянский Ю.И. К вопросу обводнения лессовых грунтов территории междуречья Прут - Днестр // Вопросы исследования лессовых грунтов и методов возведения фундаментов на них. Ростов н/Д., 1985. С. 86 - 93.
9. Сафарян А.И. Деформация зданий и сооружений на территории г. Тбилиси // Сб. тр. совещания по строительству на лессовых грунтах. Днепропетровск; Киев, 1960. С. 81 - 84.
10. Меркулова К.А. Изменение гидрогеологических условий Ростова-на-Дону под влиянием хозяйственной деятельности человека // Вопросы исследования лессовых грунтов, оснований и фундаментов: межвуз. сб. Ростов н/Д., 1978. С. 51 - 56.
11. Розовский Л.Б., Зелинский И.П. Инженерно-геологические прогнозы и моделирование. Одесса, 1975. 115 с.
12. Шпильберг Ю.И. О формировании верховодки в лессовых породах при орошении // Проблемы инженерной геологии Северного Кавказа. Вып. 2. Ставрополь, 1969. С. 125 - 128.
Поступила в редакцию
26 марта 2013 г.
