6.8. Мероприятия по инженерной защите территории
города от подтопления
При анализе гидрогеологических изысканий для прогноза и инженерной защиты на многочисленных подтапливаемых застроенных территориях установлено, что при слабой гидрогеологической изученности городских территорий проектируемые и осуществляемые защитные мероприятия (дренирование грунтовых вод различными типами горизонтальных и вертикальных дренажей) направлены на борьбу не с основными причинами возникновения подтопления (ликвидация источников инфильтрационного питания или снижение их интенсивности, организация и регулирование поверхностного стока), а только с его следствиями [56, 122]. К последним относятся: подъем уровня грунтовых вод; формирование нового техногенного водоносного горизонта в грунтах зоны аэрации; увлажнение и замачивание грунтов оснований зданий и сооружений, приводящее к деформациям их в результате просадок грунтов; затопление подвалов, заглубленных частей зданий и сооружений, подземных коммуникаций, коррозия подземных частей металлических конструкций, трубопроводных систем; активизация оползней; ухудшение экологической ситуации в связи с загрязнением подземных вод и грунтов. Многофакторность процесса подтопления в различных природных условиях обуславливает до сих пор определенное недопонимание изыскателями, проектировщиками и специалистами городских служб первопричин возникновения многообразных форм проявления последствий подтопления на застроенных территориях.
В результате имеет место: неэффективность применения дренажных мероприятий и высокая стоимость их эксплуатации в реализованных проектах; отсутствие проработок по альтернативным вариантам защиты и использования городских территорий.
Проектируемые в составе схем и проектов защитные сооружения, как правило, направлены на дренирование уровня подземных вод [34, 122]. При этом отмечается, что для инженерной защиты от подтопления дренаж необходим практически во всех случаях. В борьбе с основным видом подтопления городских и промышленных объектов – грунтовыми водами – дренаж выполняет исключительную роль и поэтому имеет важное градостроительное значение.
Но главным остается то, что, эти мероприятия направлены на борьбу со следствием подтопления, а не с основными причинами его вызывающими.
Основной принцип организации защиты от подтопления – борьба с первопричинами, вызывающими подъем уровня грунтовых вод. Площадное осушение уже застроенных территорий различными типами дренажа, особенно в слабопроницаемых грунтах, должно допускаться только в исключительных случаях и предусматриваться только во вторую очередь строительства защитных мероприятий [56, 122].
При выборе мероприятий по защите территории г. Гомеля от подтопления нами были приняты следующие основополагающие принципы:
Выбор мероприятий определяется естественными условиями территории и основывается на законах и закономерностях развития инженерно-геологических процессов и явлений.
Выбор мероприятий обеспечивает оптимальные с геологической, экологической и экономической точек зрения инженерные решения.
Основные первоочередные мероприятия должны быть направлены на борьбу с техногенными факторами, вызывающими подтопление.
Основой для выбора защитных мероприятий является карта устойчивости территории к подтоплению. Основным методом – моделирование процессов подтопления.
Для предотвращения развития процесса подтопления применяются профилактические мероприятия, а для устранения подтопления и его последствий – защитные [108].
Предупредительные (профилактические) мероприятия всегда направлены против тех возможных факторов и источников подтопления, которые могут иметь место при будущей эксплуатации объекта. Поэтому их необходимо предусматривать при строительном освоении на всех потенциально подтопляемых (по прогнозу) территориях. Они должны включать в себя следующие виды работ [108]:
– надлежащую организацию и ускорение стока поверхностных вод; сооружение профилактических пристенных, пластовых и сопутствующих дренажей;
– тщательное выполнение работ по строительству водонесущих коммуникаций и правильную их эксплуатацию с целью предотвращения постоянных и аварийных утечек;
– надлежащую организацию складирования отходов производства; сооружение перехватывающих подземный поток дренажей.
При анализе инженерно-геологических условий г. Гомеля выделено три типа территорий, характерные особенности которых учитывались при планировании и проектировании инженерной защиты от подтопления [49, 145, 146, 147, 148].
Территории с сезонным подтоплением и затоплением паводковыми водами. Одной из главных проблем является неблагоприятные условия для строительства и невозможность полноценного благоустройства ряда районов: прокладки инженерных коммуникаций, строительства инженерных сооружений и т.п.
Для данных территорий рекомендуется повышение планировочных отметок с одновременным комплексом дренажных мероприятий. Масштабные работы по намыву пойменных земель, существенно изменяют условия разгрузки грунтового потока в долине рек, что в частности может вызывать подъем уровня грунтовых вод на территориях, распложенных выше по потоку. Поэтому по контуру намывных грунтов необходимо предусматривать прокладку дренажных канав [34]. Использование указанных способов и систем защиты территорий данного типа может отрицательно повлиять на состоянии геологической среды прилегающих территорий и вызвать негативные последствия. Применению любой из указанных систем должна предшествовать научная проработка с составлением обоснованного прогноза изменения геологической среды.
Территории, потенциально подтапливаемые во время весенних половодий при наличии техногенных источников. Главным объектом защиты на территориях данного типа являются заглубленные части инженерных сооружений.
Одной из причин подтопления территории является заключение в коллекторы ложбин стока, ручьев и речушек, обеспечивающих не только отвод поверхностного стока, но и дренаж грунтовых вод с окружающей территории. Система дождевой канализации не компенсирует естественную дренированность территории, которая существовала до строительства коллекторов, что приводит к застаиванию стока и подтоплению территории, особенно в период интенсивных осадков. Периодическое подтопление устьевых участков магистральных коллекторов высокими водами р. Сож осложняет ситуацию.
Кроме того, дренажные каналы и ручьи на этой территории сильно замусорены, перегорожены мостиками, иногда засыпаны при планировке территории для застройки усадебного типа, т.е. их дренирующая способность резко снижена, что способствует развитию процесса подтопления. Регулирование русел рек, расчистка и углубление водоемов, оврагов, мелких рек и ручьев позволяют увеличить их дренирующую способность и таким образом понизить уровни грунтовых вод.
Градостроительные решения, выполняемые без учета трансформации подземной гидросферы города, вероятной после застройки, ведут к провоцированию развития процесса подтопления [41]. Планировка застройки должна выполняться таким образом, чтобы улицы и здания располагались вдоль линии тока поверхностного и подземного стока.
Общеизвестна проблема возникновения «барражного» эффекта – действия свайных полей и глубоких фундаментов [34, 95, 114, 115, 122, 133, 136, 137 и др.]. Фундаменты значительно уплотняют грунты оснований, уменьшая общую пористость грунтов под сооружениями. Этим создаются искусственные «шпунтовые» завесы на путях оттока грунтовых вод. При размещении зданий повышенной этажности длинной своей осью параллельно оврагам, балкам, ложбинам стока и склонам рек сокращаются естественные пути оттока грунтовых вод. В случае невозможности рационального размещения сооружения, необходимо предусматривать устройство в заглубленных конструкциях специальных проемов – «окон» для пропуска подземных потоков. Это предупредит создание барражного экрана. Целесообразно на потенциально подтапливаемых территориях при их застройке оставлять свободные коридоры для последующей прокладки дрен.
Это положение особенно важно для данного типа территорий (рисунок 6.10), т.к. глубина залегания уровня грунтовых вод здесь сопоставима с глубиной заложения фундаментов и/или активной зоной инженерных сооружений. Полумеры, типа откачки вод из подвальных помещений зданий, со временем лишь усилят эффект подтопления ибо создают зону промывки вокруг здания, увеличивают подток вод, а в последствии могут привести к осадкам фундаментов [34].
Рисунок 6.10 – Расположение улиц и зданий относительно направлений подземного стока.
1 – проблемные участки; 2 – гидроизогипсы и направления подземного стока; 3 – застроенные кварталы, отдельные строения; 4 – строения социально-культурного и бытового назначения; 5 – дороги.
Размещение всех предприятий с интенсивным водопотреблением, поверхностных водоемов, орошаемых массивов земель, водоочистных сооружений рекомендуется ниже по уклону от застроенных и намечаемых к застройке территорий.
Уровни подземных вод повышаются в результате утечек из водонесущих коммуникаций, поэтому их, при возможности, следует прокладывать ниже по потоку относительно инженерного сооружения, в противном случае, сооружение оказывается в подтопленном состоянии. Для предупреждения инфильтрации утечек из систем водонесущих коммуникаций рекомендуется строительство этих систем с сопутствующими дренажами.
Перечисленные выше мероприятия, в общем, необходимо применять на всей территории города. Но, учитывая инженерно-геологические особенности данного типа территорий, в первую очередь их нужно применять именно здесь. Обычные гравитационные дренажи на данных территориях наиболее эффективны из всех рассматриваемых типов территорий.
Территории неподтопленные, сложенные грунтами, реагирующими на изменение влажности. Главным объектом защиты являются грунты.
Поэтому самым важным мероприятием для данного типа территории является исключение утечек из водонесущих коммуникаций.
При ликвидации последствий суффозии необходимо обращать внимание на следующие обстоятельства:
1. Суффозия является вторичным процессом подтопления, поэтому при появлении суффозионных провалов нужно в первую очередь ликвидировать причину повышения гидравлического градиента, в данном случае – утечки из водонесущих коммуникаций, плохо- или неорганизованный отвод дождевых вод и т.д. При прокладке водонесущих коммуникаций рекомендуется сопутствующий дренаж.
2. К развитию процесса суффозии приводит отсыпка песчаных и крупнообломочных грунтов на слабопроницаемые основания, перекапывание глинистых грунтов, создание поверхностей контакта грунта с различными искусственными материалами и многое другое [89]. Грунты для засыпки уже сформировавшихся суффозионных провалов должны быть тщательно подобраны, т.е. это должны быть хорошо дренирующие однородные грунты хорошо уплотненные в процессе засыпки. Нельзя засыпать провалы строительным и бытовым мусором.
На возвышенных плакорах моренной равнины до первой половины XX века находились многочисленные болота [118], которые осуществляли местное регулирование уровня грунтовых вод. Позже целый ряд промышленных и гражданских сооружений был построен на болотах и заболоченных участках. При этом для повышения уровней строительных площадок зачастую использовались отходы производства или строительный мусор, что способствует формированию верховодки. Техногенное повышение абсолютных отметок дневной поверхности замкнутых понижений, болот и заболоченных участков ведет к развитию процессов подтопления в них.
На таких участках рационально использовать вертикальные дренажи. При защите от верховодки рекомендуется уплотнение пазух котлованов, гидроизоляция подземных частей зданий и сооружений, тоннельные прокладки инженерных сетей и обеспечение отвода воды, проникающей в них.
На территориях данного типа, на участках с хорошо развитой естественной дренажной сетью, весьма существенным для развития процесса подтопления является засыпка оврагов, использования их территорий под застройку или огороды, асфальтирования и т.д. Многие овраги не работают как дренажные системы, т.к. они лишены присущих им естественных площадей водосбора. Их дренирующие способности как бы законсервированы. Поверхностный сток на застроенных территориях осуществляется в ливневую канализацию. Она, с одной стороны, не компенсирует естественную дренированность территории, с другой – рассматривается как один из источников подтопления. С этой точки зрения, ликвидация оврагов способствует развитию подтопления и процессов, связанных с ним.
Существенное изменение подземного водного баланса территорий связано с созданием крупных отрицательных форм рельефа (водохранилищ, искусственных водоемов и каналов), которые создают подпор [34, 99, 115]. Значительные по площади и глубине карьеры (особенно после окончания их эксплуатации) становятся приемниками поверхностных вод и местными источниками локального повышения уровня первого водоносного горизонта. В случае интенсивного таяния снега и выпадения дождевых осадков существенное увеличение объема воды в искусственных водоемах и повышение их уровня оказывает повышающий гидравлический эффект, который может наблюдаться на удалении в несколько сотен метров (а в случае с крупными карьерами до нескольких километров) от искусственного водоема. В результате этого возможно временное подтопление грунтовыми водами различных подземных сооружений и отрицательных форм рельефа как природного, так и техногенного происхождения. В Гомеле имеется несколько искусственных водоемов, которые могут являться причиной временного повышения уровня грунтовых вод и подтопления понижений и подземных сооружений. Во время сухих сезонов карьеры, особенно, если из них откачивается вода, являются причиной местного понижения уровня грунтовых вод.
Таким образом, процессы подтопления определяются комплексом взаимосвязанных причин. Поэтому изменение сложившейся тенденции и улучшение ситуации может быть достигнуто путем системных усилий, т.е. созданием системы инженерной защиты города.