Причины подтопления

Подтопление может быть вызвано естественными и искусственными причинами. К первым относятся природные свойства территории, ко вторым — хозяйственная деятельность человека.

От природных особенностей территории зависит естественный режим грунтовых вод, т. е. условия их питания, движения и разгрузки — выхода на дневную поверхность.

Естественное питание подземных вод осуществляется в основном за счет просачивания в грунт атмосферных осадков и фильтрации поверхностных вод из открытых водоемов и рек. Воды, поступающие сверху или притекающие со стороны, достигают водоупорного слоя, на котором создается зона насыщения пород гравитационной водой. Это — собственно водоносный слой. Поступление воды регулирует верхний слой — своеобразный «буфер» между подземными водами и дневной поверхностью, называемый зоной аэрации.

Независимо от горизонта подземных вод (или осадков) в массиве грунта всегда присутствует грунтовая влага. Она удерживается в нем адгезионными или капиллярными силами. Количественное или качественное состояние влаги в массиве обусловлено свойствами грунтов и гидравлической связью с гравитационными водами. Поэтому повышение или понижение их уровня всегда приводит к изменениям в зоне капиллярного увлажнения, которая является нижней частью зоны аэрации.

Регулирующая роль зоны аэрации зависит от ее мощности и состава грунтов, определяющих характер (скорость) просачивания воды [13].

Осадки с поверхности земли проникают в зону аэрации в результате свободного просачивания и вследствие неоднородности ее грунтов могут формировать верховодку и подвешенные воды, полностью насыщая отдельные слои или всю толщу зоны. Пройдя зону аэрации, вода переходит в подземный сток, который передвигается от области питания к области естественной разгрузки, т. е. к месту выхода на дневную поверхность.

Естественный режим подземных вод определяют особенности геологического строения и климат района, рельеф самой территории и степень развития ее гидрографической сети [14]. Поэтому повышение УГВ на площадке строительства обычно вызвано различным сочетанием ее природных свойств, в числе которых весьма существенна роль геологического строения.

Геологическое строение и литологический состав пород существенно влияют на условия залегания подземных вод и положение их уровня. Наиболее вероятно подтопление на участках:

— с грунтами слабоводопроницаемыми, набухающими при увлажнении;
— неоднородного геологического строения;
— с неглубоким залеганием водоупорных слоев и неровной их кровлей;
— с затрудненным поверхностным и подземным стоками.

Наряду с водопроницаемостью грунтов и степенью их однородности большое значение имеет порядок напластования слоев (литологический разрез). Интересен пример из проектного опыта автора, иллюстрирующий одинаковый эффект подтопления двух участков с различными геолого-литологическими условиями. Речь идет о территории Большого Меншиковского дворца в Ораниенбауме, пригороде Санкт-Петербурга и об участке в Невском районе Санкт-Петербурга вблизи станции метро «Ул. Дыбенко», использованном под строительство современного культурно-досугового центра.

Первая площадка — придворцовая территория по южному фасаду (рис. 1.1, а) — в верхней толще разреза отличается однородным геологическим строением и близким залеганием водоупорного слоя. С поверхности расположены хорошо водопроницаемые грунты, которые еще при строительстве дворца отсыпаны на глинистых грунтах.

Вторая площадка (рис. 1.2, а) сложена неоднородными глинистыми грунтами, которые имеют множественные прослои пылеватого песка. На обеих площадках УГВ расположен близко от дневной поверхности. Остановимся подробнее на особенностях гидрогеологической обстановки этих площадок, которые приводят к повышению УГВ.

Большой Меншиковский дворец расположен на Балтийской приморской террасе, рельеф которой до застройки отличался выраженной расчлененностью. При строительстве дворца поверхность площадки была выровнена подсыпками из песчаных грунтов и глинистых, отсыпанных по толще четвертичных ледниковых отложений (рис. 1.1, б). Верхний водовмещающий песчаный слой имеет мощность около 2 м, водоупорный глинистый — от 2 до 3,5 м, а его кровля сильно наклонена в северном направлении. Положение максимального УГВ в Южном дворе зафиксировано в период буровых изысканий (март-апрель 2001 г.) на глубине 1,3 м, а со стороны северного фасада дворца — на глубине 0,3 м.

Грунтовые воды формируются за счет атмосферных осадков и аккумулируются на водоупорном слое, кровля которого со стороны северного фасада (от Японского павильона до центральной лестницы, см. рис. 1.1, а) полностью замещает песчаный слой. Следует отметить, что изыскания, которые проводились ранее (до 2001 г.), также отмечали подтопление площадки и относительно схожую картину положения УГВ.

Участок, отводимый под строительство культурно-досугового центра, находится на территории лесопарковой зоны и отличается равнинным рельефом. В геологическом отношении (буровые исследования выполнены в июне 2004 г.) верхняя толща разреза площадки сложена озерно-ледниковыми отложениями в виде суглинков и супесей. Они залегают повсеместно, но с различным порядком напластования слоев. Основные варианты литологического разреза на участке строительства, показанные на колонках трех буровых скважин (рис. 1.2, б), отражают разнородность слабоводопроницаемых грунтов площадки.

Рис. 1.1. Инженерно-геологические условия на территории Меншиковского дворца (по данным ЗАО «НПО Геореконструкция —

Фундаментпроект»):

а — схема размещения скважин

Даже при очень низких фильтрационных свойствах грунтов верхней толщи (инженерно-геологические элементы — ИГЭ-1,2) из-за наличия в них песчаных прослоев в связи с особенностями литологического разреза участка на нем отмечено (по данным изысканий и прогнозу) высокое положение УГВ. Единый гидравлически связанный водоносный горизонт приурочен к тонким прослоям песка в глинистых отложениях и выдержанному слою песка (ИГЭ-4). Положение УГВ зафиксировано на глубине меньше 0,5 м от поверхности земли, что объясняется, главным образом, инфильтрационным питанием за счет атмосферных осадков. Наряду с этим, при буровых изысканиях в отдельных скважинах отмечены местные напоры. Они вскрыты в выдержанном слое песка (ИГЭ-4) и не представляют угрозы для возведения объекта.

Фундаментпроект»):

б — геолого-литологические разрезы

Рис. 1.2. Схема расположения скважин и характерные геологические

разрезы:

а — размещение скважин; 1 — контур проектируемого здания;

2 — эксплуатируемый торговый комплекс; 3 — скважина (в числителе ее номер и год исследования, в знаменателе — абсолютная отметка устья, мБс);
4 — отметка пола цокольного этажа, мБс

Несмотря на незначительную водообильность горизонта подземных вод (коэффициенты фильтрации озерно-ледниковых суглинков — 0,05— 0,01 м/сут) площадка строительства (особенно цокольный этаж культурно-досугового центра) оказывается подтопленной. Это обусловлено неоднородным геологическим строением верхней толщи грунтов, которое способствует инфильтрации атмосферных осадков в песчаные прослои.

Примеры двух подтопляемых площадок с разными инженерно-геологическими условиями указывают на преобладающую роль инфильтрации ливневых и талых вод в формировании подземных вод, особенно в период снеготаяния или сильных дождей, когда образуется верховодка. В эти периоды происходит пополнение горизонта грунтовых вод, и его уровень приближается к дневной поверхности.

Рис. 1.2. Схема расположения скважин и характерные геологические

разрезы:

б — колонки верхней толщи по скважинам 4,5

Рис. 1.2. Схема расположения скважин и характерные геологические

разрезы:

б — колонки верхней толщи по скважинам 7

Вместе с тем, в определенных геологических условиях подтопление участков связано с капиллярным увлажнением и проявлением местных напоров. Увлажнение капиллярными водами возможно при наличии на площадке слабопроницаемого слоя небольшой мощности, подстилаемого водоносными грунтами. Заглубление подземных сооружений в этот слой приводит к капиллярному увлажнению.

Возможно подтопление участков напорными водами при различных вариантах инженерно-геологического строения, создающих условия для формирования напорных вод. Их обычно обнаруживают на площадке застройки при буровых изысканиях (см. рис. 1.2, б). Местные напоры часто фиксируют при производстве строительных работ нулевого цикла или в процессе благоустройства, например, оползневых склонов.

Наличие местных напоров может быть вызвано сочетанием различных природных факторов, в том числе положением мест естественной разгрузки поверхностного и подземного стоков. Поэтому именно на пойменных участках и склонах, расположенных между водоразделом и областью разгрузки, в определенных геологических условиях нередко встречаются напоры, приводящие к подтоплению.

Подтопление территории всегда связано с климатическими условиями района, которые существенно влияют на режим УГВ, особенно на водораздельных участках, где грунтовые воды формируются преимущественно за счет атмосферных осадков. Здесь климатические особенности района предопределяют ход сезонных и годовых колебаний уровня подземных вод, от которых зависят продолжительность и интенсивность периодического затопления заглубленных сооружений.

В зависимости от режима грунтовых вод подтопление территорий может повторяться один или несколько раз в год или даже один раз в несколько лет. Некоторые территории из-за частого и продолжительного обводнения подтоплены в естественном состоянии. Интенсивность подтопления влияет на величину амплитуды колебаний УГВ. Также важны литологический состав пород и мощность зоны аэрации, которые имеют сходные черты на территориях, принадлежащих к одной климатической зоне.

Высокий природный УГВ обычно связан с одной зональностью территорий. Он характерен для центральных и северных районов европейской части Российской Федерации, которые относятся к избыточно увлажненным и увлажненным природно-климатическим зонам. Выше описаны примеры подтопления двух площадок в Санкт-Петербурге и его пригороде, типичные для таких зон.

В пределах одних и тех же зон различное положение УГВ в естественном состоянии приурочено к разным формам рельефа. Влияние рельефа сказывается на условиях стока ливневых и талых вод и тем самым на их инфильтрации в грунт, т. е. на подтоплении территории. Имеют значение крутизна и форма рельефа. При наличии небольших уклонов и впадин значительная часть ливневых и талых вод задерживается в них и просачивается в грунт. Напротив, достаточный уклон и отсутствие местных понижений создают на участке благоприятные условия для поверхностного стока, тем самым уменьшается доля воды, просачивающейся в грунт.

Воды одного и того же горизонта, залегающие относительно глубоко на повышенных участках территории, в местах понижения располагаются близко к дневной поверхности и могут подтоплять участки или отдельные заглубленные сооружения. На положение УГВ влияют также условия их естественного дренирования, которое обычно происходит в местную гидрографическую сеть.

Редкая и неглубоко врезанная местная гидрографическая сеть затрудняет дренирование и приводит к неглубокому положению УГВ на территории. Интенсивно развитая местная гидрографическая сеть с глубоким врезанным руслом способствует дренированию подземных вод, разумеется, при наличии гидравлической связи водотоков и подземного горизонта. Эффективность естественной разгрузки грунтовых вод зависит от степени такой гидравлической связи.

Прибрежные территории, на которых отмечена хорошая и даже затрудненная гидравлическая связь подземных вод с водоемами, также периодически подвергаются подтоплению. Повышение УГВ на таких территориях происходит в результате сезонных колебаний горизонтов рек, озер или из-за подпора в устьях рек морской нагонной волной.

Такое подтопление и его продолжительность прогнозируют на основе расчетов, в которых определяют величину неустановивше- гося подпора во время фильтрации из водотока и после ее прекращения. Как правило, продолжительность подтопления зависит от повышения уровней воды в водоеме, проницаемости пород и удаленности участка от берега. Характерно отставание колебания уровней подземных вод от изменения уровня в реке. Это объясняется тем, что скорость передачи колебаний горизонта реки значительно превосходит скорость непосредственной инфильтрации речной воды в берег.

Подтопление территории почти всегда является результатом одновременного влияния нескольких факторов. Ярким примером служит территория Санкт-Петербурга, расположенного на плоских заболоченных островах в дельте Невы. Территорию отличают избыточная увлажненность, равнинный рельеф, широкое развитие с поверхности слабоводопроницаемых грунтов и их неоднородность. Картину дополняют сеть рукавов, каналов и подверженность территории речным и нагонным наводнениям.

Для иллюстрации режима подземных вод в условиях Санкт- Петербурга обратимся к гидрогеологическим особенностям участка на Университетской набережной Васильевского острова, где располагаются флигель и манеж бывшего 1-го кадетского корпуса (рис. 1.3).

Указанная территория характеризуется приморским видом режима с затрудненной гидравлической связью поверхностных и грунтовых вод. По материалам изысканий буровых скважин № 115, № 231, пройденных в декабре 1985 г. (с последующим их тампонированием), появление подземных вод отмечено на глубине от 1,3 до 2 м. Для получения полной картины режима грунтовых вод были использованы многолетние данные (1985—2000 гг.) наблюдательной скважины № 2514, находящейся в аналогичных гидрогеологических условиях. Эта репрезентативная скважина расположена в Ботаническом саду Санкт-Петербурга на расстоянии около 300 м от Невы.

Рис. 1.3. План участка и расположение скважин

В результате анализа выявлены особенности режима УГВ на участке размещения объекта, обусловленные влиянием природных условий и градостроительных факторов.

1. Максимальные годовые уровни отмечаются в апреле в период весеннего снеготаяния, в осенне-зимний период после дождей, во время оттепелей и наводнений. Продолжительность их стояния — от 10—15 дней до одного месяца. В зависимости от водности года эти уровни, по данным наблюдательной скважины 2514, устанавливаются на глубинах 0,6—1,1 м.
2. Амплитуда колебаний уровней в течение одного календарного года — 0,4—0,9 м.
3. В период нагонных наводнений из-за подъема уровня воды в Неве возникает зона обратного уклона зеркала грунтовых вод, создавая преграду для грунтового стока. Это приводит к подъему УГВ на всей территории Васильевского острова. Наиболее вероятное время наводнений — октябрь-ноябрь, но в аномально теплые зимы наводнения происходят даже в декабре — январе. Интересны в этой связи замеры, проводимые по створам наблюдательных скважин Петропавловской крепости и гидрометрическому посту на Неве у Горного института (Васильевский остров). Установлено, что в период наводнений «обратная волна» распространяется со скоростью 90 м/ч на расстояние не менее 200 м. При этом амплитуда подъема УГВ зависит от интенсивности наводнения.
4. Максимальных уровней зеркала грунтовых вод в районе набережной можно ожидать на глубине 1 м. Они будут ниже наблюденных уровней в скв. 2514. Снижение максимального УГВ обусловлено положением репрезентативной скважины относительно рассматриваемого участка, уклоном грунтового потока и степенью гидравлической связи поверхностных и подземных вод.

Уклон грунтового потока в прибрежной зоне шириной 100 м составляет 0,004, на остальной территории (между наблюдательной скважиной и участком набережной) — 0,0004. Наряду с этим непроницаемая облицовка набережной затрудняет гидравлическую связь поверхностных и подземных вод.

Таким образом, естественный режим грунтовых вод меняется при эксплуатации застроенной территории, появляются дополнительные источники инфильтрации. Это приводит к интенсивному процессу подтопления, поскольку к естественным причинам добавляются искусственные.

Искусственные причины (факторы) подтопления связаны, в основном, с процессами инфильтрации и подпора при освоении территорий и эксплуатации застройки.

При возведении на реках гидротехнических сооружений, а также при наличии гидравлической связи между подземными и речными водами происходит сезонное или постоянное повышение УГВ, приводящее к обводнению прибрежной территории. Потенциальное обводнение площадей, расположенных в зонах подпора от водохранилищ и рек, устанавливают на основе расчетов. Они позволяют определить границы зоны подтопления в зависимости от условий оттока подземных вод за пределами территорий.

Техногенное подтопление на стадии строительства чаще связано с изменением условий поверхностного стока. Оно может быть вызвано срезкой растительного покрова, засыпкой естественных дрен, снятием загрязненного слоя грунта, подлежащего удалению, и т. п. Негативную роль играет разрыв между этапами проведения земляных и строительных работ нулевого цикла. Эти обстоятельства приводят к накоплению поверхностных вод в строительных котлованах, выемках, траншеях и способствуют дренированию грунтовых вод в искусственно созданные места разгрузки.

Постоянное подтопление территории возможно вследствие подпора грунтовых вод при создании водохранилищ и регулировании рек.

Техногенное подтопление на стадии эксплуатации застроенных территорий связано с рядом факторов, основной из которых — инфильтрация утечек хозяйственно-бытовых, технологических и промышленных стоков. Имеют также значение изменение тепловлажностного режима под зданиями, сооружениями и покрытиями, полив зеленых насаждений и использование оросительных систем, эксплуатация которых неизбежно связана с фильтрационными потерями воды.

На застроенных территориях подтопление может быть следствием барражного эффекта из-за задержки поверхностных и подземных вод зданиями и сооружениями, а также результатом обводнения локальных участков грунтового массива при реконструкции инженерных сетей из-за некачественного демонтажа водопроводящих веток.

Негативную роль в подтоплении подземных частей здания могут сыграть даже наружные водостоки. Это обычно происходит, когда расходы дождевого стока с кровли весьма существенны, а отмостка утрачена или выполнена из проницаемых покрытий (брусчатки, плит, щебня). В сочетании с неорганизованным поверхностным стоком на участке размещения объекта залповые сбросы наружных водостоков нередко являются причиной подтопления подвальных помещений.

Такая ситуация характерна для исторических зданий, где обычно устроены наружные водосточные трубы. В этом отношении интересен такой факт: для отведения расходов, сбрасываемых наружными водостоками с кровли ансамбля Смольного собора в Санкт-Петербурге, был выполнен специальный проект. Чтобы ликвидировать источник подтопления (инфильтрацию воды через брусчатую отмостку в подвальный этаж собора), потребовались водозащитные инженерные мероприятия.

Негативный эффект подтопления можно наблюдать даже при небольшой площади кровли здания, например при эксплуатации индивидуальных загородных домов. Здесь залповые сбросы ливневых вод наружными водостоками могут служить причиной подтопления фундаментов и подвальных помещений, особенно при наличии слабоводопроницаемых грунтов основания. Имеют значение величина уклона отмостки и ее ширина, а также характер покрытия на границе с ней. Степень водопроницаемости поверхности за пределами отмостки влияет на условия стока и инфильтрации дождевых вод в непосредственной близости от дома.

Таким образом, процесс подтопления развивается под воздействием различных факторов. Во всех случаях техногенные воздействия в результате строительства, реконструкции и эксплуатации застройки усугубляют естественные предпосылки повышения УТВ.

Техногенное инфильтрационное подтопление сложнее поддается прогнозу, чем подтопление, вызванное подпором. Это объясняется многообразием факторов, вызывающих повышение уровня подземных вод, учесть которые можно не всегда. Очень важно, наряду с использованием расчетных методов прогноза [15,16], тщательно проанализировать динамику уровней подземных вод, используя данные многолетних наблюдений осваиваемого участка или аналогичного, имеющего схожие гидрогеологические условия. Такой анализ способствует эффективному решению задачи защиты от подтопления, поскольку позволяет разработать мероприятия, необходимые в конкретных условиях.

Автор: Клиорина Галина