АвтозаводскаяО мониторинге гидрогеологических условий на участках высотных зданий и комплексов в г. Москве
Автор: Николаев А.П.
Статья опубликована в журнале "Проектирование и инженерные изыскания"
№2 2008 г., стр. 50-55.
Официальный сайт редакции:
www.acdjournal.ru
Особенности гидрогеологических условий г. Москвы
Массовое строительство и эксплуатация высотных зданий на территории г. Москвы будет происходить в сложных геологических и геотехнических условиях, осложняемых влиянием подземных вод. Цель гидрогеологических исследований на участках строительства высотных зданий - исключение негативного влияния проектируемого строительства на окружающие здания и сооружения из-за изменения напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов при строительном водопонижении или подтоплении и активизации опасных геологических процессов. Способы гидрогеологических исследований на участках высотного строительства - контроль текущего состояния подземных вод (мониторинг), прогноз изменения гидрогеологических условий и разработка мероприятий по исключению негативных последствий в период строительства и эксплуатации.
Особенностями высотных зданий являются большая глубина и площадь подземной части здания, значительная продолжительность строительства и повышенные сроки эксплуатации. Если даже в период изысканий участки намечаемого строительства высотных зданий являются не подтопляемыми подземными водами, это не гарантирует сохранение благоприятных условий на весь период строительства и эксплуатации, несмотря на кажущийся значительным запас глубины залегания грунтовых вод. Это особенно важно на новых застраиваемых участках в отличие от районов старой застройки, где возможные гидрогеологические проблемы уже проявились, или определились тенденции их дальнейшего развития. Причем следует иметь в виду, что возможные изменения будут связаны не только непосредственно со строительством самого высотного здания, но и с застройкой и эксплуатацией зданий и сооружений на всей окружающей территории.
Территория Москвы на глубинах влияния освоения сложена каменноугольными, юрскими, меловыми и четвертичными отложениями [3]. Каменноугольные отложения представлены известняками, доломитами, мергелями и глинами. Верхняя часть известняков и доломитов местами закарстована, вся толща трещиноватая и водонасыщенная. В результате отбора водозаборами и дренажами уровни подземных вод каменноугольного водоносного комплекса на всей территории Москвы в настоящее время располагаются ниже уровней верхних водоносных горизонтов. Движение подземных вод происходит в этом комплексе сверху вниз и латерально по направлению к водозаборам и дренам. Наиболее проблемными для строительства являются глубина залегания и состояние верхней закарстованной зоны каменноугольных отложений. Юрские отложения представлены на территории Москвы верхнеюрскими глинами, которые имеют важнейшее значение с точки зрения формирования гидрогеологических условий участков строительства. На участках распространения верхнеюрских глин в залегающих на них верхнеюрских, меловых и четвертичных песках формируется надъюрский водоносный горизонт, который оказывает существенное влияние на условия строительства большинства зданий и сооружений с глубокой подземной частью. Наиболее проблематичными для строительства являются участки, где в зоне влияния строительства оказываются меловые отложения, представленные тонко- и мелкозернистыми пылеватыми песками, которые при их водонасыщении проявляют плывунные свойства. Поэтому при строительстве на таких территориях необходимо особенно внимательно изучать современные гидрогеологические условия и возможность их изменения в период строительства и эксплуатации.
Четвертичные отложения на территории Москвы представлены чередованием флювиогляциальных, моренных, озерно-аллювиальных и аллювиальных отложений. В строении моренной равнины, выделяемой в пределах Теплостанской и Смоленско-Московской возвышенностей (западная половина Москвы), преобладают глинистые отложения, представленные глинами и суглинками. В пределах флювиогляциальной равнины, выделяемой по периферии моренной равнины, и в пределах Мещерской возвышенности (восточная половина Москвы) в составе четвертичных отложений преобладают песчаные отложения, которые, однако, также сильно заглинизованы и в своем составе имеют слои и прослои суглинков. Практически на всей территории флювиогляциальной и моренной равнин в верхней части разреза распространены покровные глины, сплошность которых нарушена только в пределах речных долин.
В долинах р. Москва и ее притоков распространены аллювиальные отложения, слагающие надпойменные террасы, поймы и русла. Состав аллювия в основном песчаный, только в пределах пойм верхняя часть разреза представлена слабоуплотненными супесчано-суглинистыми отложениями, богатыми органикой. На значительной части долины р. Москва и ее притоков распространены участки размыва юрских отложений, где четвертичные отложения залегают непосредственно на каменноугольных отложениях.
В четвертичных отложениях выделяются надморенные водоносные горизонты, формирующиеся на слоях днепровских и московских моренных глин, которые в региональном плане не образуют самостоятельных выдержанных водоносных горизонтов. На участках размыва моренных глин эти горизонты могут отсутствовать или смыкаться с нижележащим надъюрским горизонтом. Однако в пределах отдельных зданий и сооружений или даже отдельных кварталов все эти горизонты как самостоятельные гидрогеологические объекты могут существовать одновременно и оказывать влияние на условия строительства. В речных долинах в пределах г. Москвы в аллювиальных отложениях формируются водоносные горизонты, тесно связанные с нижележащими горизонтами - надморенными или надъюрским, а на участках размыва юрских глин - каменноугольными.
Поскольку уровни подземных вод в каменноугольных горизонтах значительно сработаны за счет отбора водозаборами, в долине р. Москва встречаются такие участки (в зоне размыва юрских глин), где уровень грунтовых вод ниже уровня воды в р. Москва. На таких участках происходит интенсивное подпитывание карбонового горизонта водой из р. Москва. Интенсивность оттока речной воды в водоносный горизонт зависит от сопротивления донных отложений, зависящего от мощности и коэффициента фильтрации донных отложении: чем меньше мощность и больше коэффициент фильтрации, тем больше интенсивность перетекания. Донные отложения в р. Москва представлены слоем слабопроницаемых тонкодисперсных илистых отложений, мощность которых постоянно нарастает за счет привноса с окружающей территории. Регулярно проводимые санитарные попуски на р. Москва способствуют тому, что донные отложения периодически смываются, и восстанавливаются благоприятные условия для перетекания речной воды в водоносный горизонт. Также и по этой причине не происходит значительного переосушения каменноугольных горизонтов, несмотря на наличие мощных дрен и водозаборов.
Гидрогеологические условия строительства в долине р. Москва самые разнообразные. Наиболее благоприятными являются территории в пределах высоких второй и третьей террас, сложенных мощными песчаными отложениями, залегающими над мощным слоем юрских глин. Здесь грунтовые воды залегают достаточно глубоко и нет условий для подтопления в связи с хорошей дренированностью территории. В пределах первой надпойменной террасы и поймы условия строительства наихудшие, что связано с подтопленностью, вызванной поддерживанием высокого эксплуатационного уровня воды р. Москва.
Опасные геологические процессы, активизируемые при изменении гидрогеологических условий
Из "гидрогенных" опасных геологических процессов на территории г. Москвы развиты карстово-суффозионные процессы, оползни и неравномерные осадки грунтовых массивов. Проблема возможной активизации оползней и карстово-суффозионных процессов при изменении гидрогеологических условий достаточно хорошо освещена в журналах для строителей и проектировщиков. Проблемы эти признаны также инвесторами, и при проектировании ответственных зданий и сооружений этим вопросам уделяется достаточно внимания.
Однако, наиболее часто встречающимися проявлениями современных геологических процессов и поэтому представляющими наибольшую опасность для зданий и сооружений на территории города Москвы являются неравномерные осадки грунтовых массивов, вызываемые изменениями уровней подземных вод. В соответствии со строительными нормами, опасными считаются понижения уровней грунтовых вод в массиве грунта в контурах здания, превышающие 2 м. Однако в тех же строительных нормах указывается, что степень опасности зависит от конкретных геологических условий и от конструкции здания. Допустимая неравномерность осадок напрямую зависит от уровня ответственности здания и от его фактического состояния.
Особенностью строения геологического разреза четвертичных отложений является изменчивость мощностей слоев различного происхождения - так называемых инженерно-геологических элементов, отличающихся различными физическими и механическими свойствами. В пределах здания, особенно при его больших размерах в плане, может встречаться значительная изменчивость как мощностей, так и состава отложений. В результате этого при одном и том же давлении деформации под фундаментом будут разными. Неодинаковая реакция разных типов водонасыщенных грунтов на их осушение способствует увеличению степени неравномерности деформаций.
Опасным является не только снижение уровней грунтовых вод, но и их повышение. Подъем уровней грунтовых вод ведет к большему комплексу менее предсказуемых проблем. Проблема обеспечения устойчивости здания и сооружения еще более усложняется, если будет происходить циклическое водонасыщение и осушение грунтового массива в основании. Наиболее изученной и общепризнанной проблемой является подтопление подземной части зданий и сооружений, когда уровни грунтовых вод уже в естественных условиях до начала строительства превышают допустимые отметки - выше отметки дна котлована или пола нижнего уровня подземной части проектируемого здания. Для такого случая разработаны необходимые защитные мероприятия и способы минимизации влияния на окружающую застройку - противофильтрационные завесы, "стена в грунте", дренаж, гидроизоляция и др.
Влияние гидрогеологических условий на устойчивость зданий и сооружений проявляется еще более интенсивно, если на процессы периодического подтопления будет накладываться химическое и микробиологическое заражение подземной среды. На территории городов традиционно происходило хозяйственно-бытовое загрязнение подземной среды, и обычно не только на бытовом уровне, и некоторыми специалистами считается, что это не влияет на устойчивость зданий и сооружений. И в самом деле, когда глубина массового освоения подземного пространства была небольшой и механические нагрузки от зданий на основания были меньше, влияние контаминации не успевало себя проявить - здания успевало разрушиться из-за других внешних причин. Следует признать, что все те здания, которые сооружались человечеством, всегда интенсивно разрушались, как это происходит и сейчас с современными зданиями. Сохранившиеся отдельные старинные каменные здания и сооружения являются лишь счастливыми исключениями, а не правилом.
В современных условиях, особенно при строительстве высотных зданий в условиях существующей плотной застройки, состав подземных вод должен являться одним из важнейших контролируемых параметров. Это связано с тем, что хозяйственное и промышленное загрязнение на территории современных городов вызывает появление в подземной среде новых химических и микробиологических компонентов, которые в геологическую историю там не присутствовали. Это тем более важно, т.к. в благоприятных условиях зоны техногенного воздействия высотных зданий (высокие температура и давление) микробиологические и химические процессы будут проистекать быстрее, чем в естественных условиях.
Мониторинг высотных зданий
Для высотных зданий в российской практике, как и в мировой, проектировщиками разрабатываются системы мониторинга, непосредственно направленные на контроль состояния сооружения. Так, ГУП МНИИТЭП разработал стационарную автоматизированную станцию мониторинга деформационного состояния строительных конструкций высотных зданий [2]. Станция оснащена датчиками для высокочувствительного измерения ускорений колебаний здания и датчиками для регистрации кренов здания при динамических воздействиях, включая ветровые нагрузки. В первые три года эксплуатации предполагается проводить мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий 2-3 раза в год, а в последующие периоды эксплуатации - один раз в год. Дополнительно рекомендуется установка системы настроенных на предельные значения деформаций и наклонов датчиков, подающих необходимые сигналы в диспетчерскую высотного здания и систему ГОЧС Москвы.
Цель системы мониторинга, разработанной ГУП МНИИТЭП, - получение информации "для анализа динамического поведения зданий как при динамических воздействиях со стороны грунта, так и при ветровых нагрузках; для контроля уровня поэтажных колебаний (отклонений от исходной вертикальной оси) объекта; для анализа кренов различных частей фундамента здания".
Обращает на себя внимание тот факт, что подобные системы мониторинга предназначены только для выявления самих деформаций, смещений и критических ситуаций, когда они уже сформировались и стали необратимыми. Т.е. станция предназначена, главным образом, для выявления момента, когда возможно разрушение здания и требуется экстренная эвакуация населения. В то же время, рекомендуемая частота наблюдений вряд ли позволит эффективно решить такую важную задачу.
На наш взгляд, система мониторинга, наряду с контролем состояния самих несущих конструкций здания, должна предусматривать мониторинг самой среды функционирования здания, в первую очередь, подземной среды - грунтового массива в контурах высотного здания и в зоне влияния на него. Главная цель мониторинга - своевременно выявить возможность начала недопустимых деформаций.
В МГСН 1.04-2005 [1] рекомендуется степень геологического риска при размещении высотной застройки оценивать на основе имеющихся материалов по проявлению неблагоприятных геологических процессов на территории г. Москвы. Однако оценка геологического риска при строительстве любого конкретного объекта не может выполняться статистической обработкой данных о повторяемости опасных геологических процессов, т.к. сами эти явления очень редкой повторяемости. Фактически сегодня нет достаточного количества информации о проявлениях опасных геологических процессов на территории г. Москвы, чтобы можно было сделать представительный анализ. Наиболее правильный и обоснованный путь оценки геологических рисков на конкретной территории проектируемого высотного строительства - анализ прогнозируемых изменений уровней подземных вод во взаимодействующих водоносных горизонтах, оценка связанных с этим изменений напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов в зоне влияния проектируемого строительства и мониторинг.
Гидрогеологический мониторинг позволяет выявить возможные проблемы с основанием и фундаментом задолго до того, как произойдут деформации здания и сооружения: в геологической среде происходят изменения, которые легко замерить и прогнозировать дальнейшее их развитие на основе моделирования напряженно-деформированного состояния системы "основание-фундамент".
Предназначение гидрогеологического мониторинга
Гидрогеологический мониторинг должен являться одной из важнейших составляющих системы обеспечения безопасности здания.
На участке высотного здания в период строительства и эксплуатации может происходить изменение гидрогеологических условий участка, выражающееся в подъеме уровней или их понижении, также возможно циклическое повторение и того, и другого.
Если при подъеме уровней подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта происходит замачивание грунтов, находившихся в период проектирования и строительства в сухом состоянии, то в результате водонасыщения грунтового массива резко снижаются его несущие свойства, в т.ч. устойчивость к динамическим нагрузкам. В частности, в зависимости от типа грунтов, при замачивании микросейсмическая устойчивость основания может уменьшиться на несколько баллов.
Несмотря на то, что все здания проектируются с должным учетом полевых и лабораторных испытаний, со временем, в ходе эксплуатации происходит ухудшение состояния грунтового массива, в том числе в результате процессов непосредственно в контурах здания. Такими проблемами являются "капельные" и аварийные утечки из водонесущих коммуникаций, потеря эффективности дренажей (кольматация, выход из строя системы водоотведения, простое отключение дренажа для "экономии" и пр.).
Ухудшение гидрогеологических условий участка высотного строительства может произойти и за счет влияния внешнего обрамления. Временное строительное водопонижение на прилегающей территории вызывает формирование воронки депрессии, которая может распространиться на участок высотного здания. Утечки на прилегающей территории вызывают формирование куполообразного поднятия уровней подземных вод. Барраж подземных вод при строительстве глубоких и протяженных подземных сооружений, а также вскрытие котлованов на сопредельных территориях в непосредственной близости с участком высотного здания, может изменить напряженно-деформированное состояние грунтового массива. В результате, поступления с сопредельных территорий химически и микробиологически зараженных подземных вод может вызвать локальное уменьшение несущих свойств грунтов в основании высотного здания.
Состав наблюдений на участке высотного строительства
Контролируемыми являются характеристики водоносных горизонтов, включая уровни (напоры), температуру и химический состав воды, газовый состав зоны аэрации, состояние микробиологической зараженности (ОМЧ).
Необходимо контролировать также параметры состояния атмосферы (атмосферные осадки, температура воздуха, давление воздуха), которые влияют на естественную составляющую питания и разгрузки грунтовых вод.
Для высотных зданий, оснащенных дренажами, контролируются расход воды, уровни, температура воды, количество взвешенных веществ, химический состав.
Наиболее эффективным способом выявления возможных утечек из водонесущих коммуникаций является инструментальный мониторинг за водопользованием, включая расход водоподачи, давление в сети, температуру воды, химический состав, объемы водоотведения в канализационную сеть.
Необходим эффективный учет дождевых и талых вод, попадающих на участок высотного здания, что возможно только путем непосредственного измерения как поступления, так и отвода в ливневую канализацию. Это позволяет реально оценивать также и объемы накопленной воды в виде снега и льда на крыше и других поверхностях.
Использование воды на прилегающей территории - фактические расходы воды на поливы зеленых насаждений, мытье асфальта и проч. - также должно учитываться, т.к. какая-то доля этой воды может попадать в водоносный горизонт.
Названный перечень наблюдаемых природных и техногенных объектов говорит о необходимости постоянного автоматического контроля. Все техногенные и природные процессы, за исключением собственно подземных вод, являются очень динамичными. При этом важно то, что все эти процессы хорошо изучены, разработаны методики и эффективные средства автоматизированного наблюдения за ними.
В целом, система гидрогеологических наблюдений должна соответствовать режиму наблюдений, принятому в государственной системе мониторинга состояния недр. Но, в отличие от системы государственного мониторинга, предназначенной для решения региональных водно-ресурсных задач, система мониторинга гидрогеологических условий участка высотного здания должна обеспечивать оперативное получение и обработку информации, поэтому будет рассмотрена подробнее.
Система наблюдений за подземными водами
Пункты наблюдения за подземными водами - скважины (пьезометры) на участке высотного здания должны позволять контролировать состояние подземных вод непосредственно под зданием и по периметру. При наличии значительной прилегающей территории - по периметру участка застройки. Минимальное количество пунктов наблюдения за подземными водами - 5, с размещением по схеме "конверта". Один из пунктов наблюдения при этом будет находиться на нижнем уровне подземной части высотного здания. От каждого пункта наблюдения до центра сбора и обработки должен быть проложен кабель связи и электрического питания.
Пьезометры должны быть установлены на все водоносные горизонты, на которые распространяется влияние высотного здания - ниже фундамента на 2 глубины котлована или до глубины, установленной расчетами напряженно-деформированного состояния грунтового массива.
Замеры уровней и температуры воды должны выполняться в автоматическом режиме с частотой, определяемой гидрогеологическими условиями участка высотного здания и наблюдаемыми в режиме подземных вод тенденциями. Минимальная частота отбора и анализа проб подземных вод - 1 раз в сезон. Но, в зависимости от наблюдаемой гидрогеологической обстановки, например, в связи с фактом локального изменения уровней и температуры, может приниматься решение о внеочередном отборе проб воды. Отбор проб целесообразно осуществлять вручную, т.к. при ожидаемой частоте отбора проб установка автоматических пробоотборников и автоматических анализаторов состава воды неоправданны.
Пункты наблюдения за подземными водами, размещаемые на поверхности земли, должны иметь охранную зону (желательно с ограждением) и подъезды для буровой техники в случае ремонтно-восстановительных работ. Размеры охранной зоны пунктов наблюдения за подземными водами, в соответствии с методическим руководством по государственному мониторингу за состоянием геологической среды, должны быть от 3х3 м до 10х10 м, в зависимости от количества пьезометров и от плотности окружающей застройки.
Надскважинное сооружение должно быть демонтируемым (на случай ремонта скважин), заключать в себя наземную часть скважин, стационарные и приносимые приборы. Размеры, форма и внешнее оформление надскважинного сооружения и охранной зоны должно быть выполнено в едином стиле с архитектурным решением высотного здания и окружающей застройки.
При размещении пунктов наблюдения на городской территории всегда возникает проблема выделения земельного участка. Поэтому исполнение пунктов наблюдения в комбинации с рекламным щитом является более перспективным шагом использования участка, чем только размещение самого пункта наблюдения.
Система автоматизированного мониторинга
Автоматизация мониторинга достигается за счет непрерывного сбора и обработки информации на автоматизированной станции мониторинга деформационного состояния основания и фундамента.
Решаемые задачи:
- сбор информации от датчиков системы мониторинга подземных вод и других систем мониторинга высотного здания;
- автоматизированное моделирование режима подземных вод на период между замерами с учетом всех контролируемых факторов;
- автоматизированное моделирование (при необходимости) напряженно-деформированного состояния грунтового массива;
- автоматическая генерация управляющих решений.
Данные от приборов наблюдения поступают на центральный пункт в компьютер и обрабатываются в автоматическом режиме с помощью специального программного обеспечения. Ручной ввод информации предполагается только в нестандартной ситуации.
Моделирование режима подземных вод в автоматическом режиме включает расчет приходных и расходных показателей для блоков модели на основе контролируемых величин, выявление участков недопустимых изменений расчетных статей баланса - выявление притока или оттока.
Теория автоматизированного моделирования геофильтрации была проработана в СССР еще в 80-е годы [4]. Однако такие автоматизированные геофильтрационные модели в последующем оказались не востребованы из-за общего кризисом науки и производства в России после 90-х годов. Новизна предлагаемой системы мониторинга подземных вод заключается в соединении в единую систему комплекса датчиков и постоянно работающих взаимосвязанных математических моделей геофильтрации, напряженно-деформированного состояния, баланса техногенных вод в водонесущих сетях и поверхностных вод в пределах участка высотного здания или комплекса.
Расчетные геофильтрационные и геомеханические параметры горизонтов и разделяющих слоев должны быть определены еще на стадии изысканий с помощью полевых и лабораторных испытаний.
Вмешательство в режим работы автоматизированной системы осуществляется по приглашению самой системы или для контроля за работой системы мониторинга.
На экран центра автоматизированного мониторинга, расположенного в самом высотном здании, для оператора будет выводиться только информация, требующая вмешательства - об ожидаемом превышении допустимых величин контролируемых параметров. Параллельно вся информация будет передаваться в головную организацию, обслуживающую работу системы мониторинга высотных зданий по Москве.
Вся система мониторинга является составной частью системы безопасности высотного здания и принадлежит собственнику здания. Обслуживание системы гидрогеологического мониторинга будет производить специализированная организация по мониторингу высотных зданий г. Москвы. Функциями такой организации являются пуск, наладка, техническое обслуживание средств наблюдения, регулярные проверки состояния технических средств, отбор проб подземных и дренажных вод, химический анализ проб воды, поддержка программного обеспечения (регулярное обновление), оперативная разработка мероприятий по ликвидации проблемных ситуаций, комплексный анализ состояния подземной среды совместно с другими данными мониторинга за зданием.
Заключение
Предлагаемая система автоматизированного мониторинга гидрогеологических условий на участках высотных зданий и комплексов должна стать частью их системы безопасности. Система автоматизированного мониторинга получает информацию о текущем состоянии подземных вод и обо всех источниках поступления воды на участок высотного здания и выполняет оперативное автоматизированное прогнозирование режима подземных вод на основе математического моделирования геофильтрации. Возможные деформации грунтов и фундаментов в результате изменения гидрогеологических условий прогнозируются на основе модели напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов.
Результаты мониторинга режима подземных вод на участке высотного объекта необходимо передавать в территориальный центр мониторинга ОАО "Геоцентр-Москва".
Литература
1. Временные нормы и правила проектирования планировки и застройки участков территории высотных зданий и высотных градостроительных комплексов. МГСН 1.04-2005.
2. Гурьев В.В., Дорофеев В.М. Особенности диагностики технического состояния.