О мониторинге подтопления территорий городов и сельских поселений на примере пятиэтажного кирпичного здания

В настоящее время подтопление подземными водами зданий, сооружений и строительных площадок является актуальной проблемой, требующей решения. Влияние подземных вод может оказаться разрушительным [1]. Необходимо перед началом строительства производить тщательные инженерные изыскания, а после вести мониторинг состояния объекта с контролем процесса подтопления и его неблагоприятных последствий. В представленной работе рассмотрен научно-практический подход к решению проблемы подтопления городов и сельских поселений.

Объекты и методы

В 2015 г. подразделениями ООО «Строймонтажпроект» были произведены исследовательские работы – мониторинг подтопления подземными водами объекта «Пятиэтажное кирпичное здание, корпус № 3». Рассматриваемое здание (рис. 1) в плане представляет собой два прямоугольника размером 58,4 × 15 и 42,25 × 15 м со смещением относительно друг друга на 8,5 м, общая высота 13,56 м. В техническом задании были определены следующие задачи:

• –    поиск и локализация источников подтопления корпуса № 3;

• –    определение направления движения грунтовых вод;

• –    изучение геологического строения и состояния грунтового массива под зданием и на окружающей территории.

• –    обнаружение и локализация возможных объектов техногенного происхождения, оказывающих влияние на гидрогеологический режим рассматриваемого участка;

• –    получение информации о состоянии фундаментов здания и мест инфильтрации вод через фундаменты;

• –    разработка рекомендаций по стабилизации грунтового массива под зданием и принятие последующих проектных и технических решений для защиты сооружения.

Для решения поставленных задач были проанализированы материалы ранее выполненных работ, проведены инженерно-геологические, инженерно-геофизические изыскания, обмерно-обследовательские работы и предложены способы решения проблемы подтопления.

Результаты исследований

В ходе инженерно-геологических изысканий на рассматриваемом объекте были пробурены 10 скважин глубиной по 4 м. При бурении производились опробование подземных вод и отбор образцов грунтов ненарушенного и нарушенного сложения. Планово-высотная привязка скважин выполнена инструментально. Местоположение скважин указано на карте фактического материала в масштабе 1 : 500 (рис. 1).

Лабораторные исследования грунтов и подземных вод выполнены в лаборатории ООО «СибИзыскания» с целью определения физико-механических характеристик грунтов, химического состава вод и грунтов для установления их агрессивности по отношению к материалам строительных конструкций.

При камеральной обработке:

• –    составлена карта фактического материала в масштабе 1 : 500 (рис. 2);

• –    построены поперечные инженерно-геологические разрезы в горизонтальном масштабе 1 : 100, в вертикальном масштабе 1 : 500;

• –    подготовлен технический отчет, в котором обобщены результаты инженерногеологических изысканий и даны необходимые выводы и рекомендации.

Рис. 1. Фрагмент плана здания с прилегающей территорией

Ндпровкение движения грунтовых вод

Рис. 2 . Фрагмент карты фактического материала

Поверхность участка относительно ровная и характеризуется абсолютными отметками (по устьям выработок) 94,41–96,41 м. В геологическом строении территории (исследуемая глубина до 4 м) принимают участие четвертичные неоплейстоценовые отложения, представленные покровными эллювиально-делювиальными (edQIII) туго-мягкопластичными суглинками

(инженерно-геологические элементы ИГЭ 1 и 2), ниже которых залегают неогеновые отложения павлодарской свиты, представленные полутвердыми глинами.

С поверхности природные отложения повсеместно перекрыты насыпными грунтами мощностью от 0,7 до 1,3 м.

В разрезе площадки исследований согласно ГОСТ 20522–2012 выделено 3 инженерногеологических элемента (ИГЭ) и 1 слой.

Слой 1 (tQ H ). Насыпной грунт – суглинок, смешанный с почвенно-растительным слоем, с включением гравия и строительного мусора до 5%; встречен повсеместно с поверхности мощностью от 0,7 до 1,3 м.

ИГЭ 1 (edQIII). Суглинок буро-желтый мягкопластичный; встречен повсеместно мощностью от 0,6 до 1,6 м.

ИГЭ 2 (edQ III ). Суглинок бурый тугопластичный; встречен неповсеместно мощностью от 0,5 до 1,5 м.

ИГЭ 3 (N1-2pv). Глина серо-бурая полутвёрдая; встречена в основании разреза вскрытой мощностью от 0,8 до 2,2 м.

Подземные воды типа поровых (безнапорных) в период изысканий в октябре 2015 г. вскрыты на глубине 1,1–2,3 м от поверхности земли, на абсолютных отметках от 92,22 до 95,11 м. Тип режима подземных вод – террасовый, способ питания – инфильтрационный, в связи с чем уровень подземных вод (УПВ) подвержен сезонным и годовым колебаниям. В месте отсутствия подземных вод (скважина № 13), в первом от поверхности водоносном горизонте (типа поровых безнапорных), ввиду близкого залегания относительно водоупорных полутвердых глин (ИГЭ 3) во влагообильные периоды года возможно формирование подземных вод временного характера (типа верховодка).

По многолетним наблюдениям, в аналогичных условиях максимальный уровень подземных вод отмечается в мае, минимальный – в сентябре. Средняя годовая амплитуда колебания 1,2 м. Показатели [2] для определения степени агрессивности подземных вод и грунтов по отношению к конструкциям из бетона, арматуре железобетона, углеродистой стали в соответствии с СП 28.13330.2010 приведены в таблице.

Вода, отобранная в подвале корпуса, отличается по химическому составу от грунтовой воды, отобранной вблизи здания корпуса. Содержание сульфатов (SO 4 ^2–) и гидрокарбонатов (HCO 3 ) в воде под зданием 560 мг/л и 195 мг/л соответственно. В образцах грунтовой воды

Показатели агрессивности подземных вод концентрации сульфатов и гидрокарбонатов соответственно 1869–2415 и 757– Местонахождение Содержание сульфатов в пересчете на SO4, мг/кг грунта Содержание гидрокарбонатов HCO3, мг/кг грунта 781 мг/л. Это различие химических концентраций свидетельствует о том, что вода, отобранная в подвале, имеет техногенное происхождение. Она, веро- Под зданием 560 195 Вне здания 1869–2415 757–781 ятно, образовалась вследствие утечек из внутренних инженерных сетей водо- провода, канализации и отопления.

По результатам измерений уровня грунтовых вод и мощности водоносного горизонта со- ставлены карты гидроизогипс и изопахит мощности первого от поверхности водоносного горизонта, на которых также отражено направление движения грунтовых вод (рис. 2). Нетрудно заметить, что здание подвержено самоподтоплению. Вокруг него образовался купол грунтовых вод, который расползается по территории в северном направлении. Подземная часть здания стоит на пути естественного стока, в результате чего нарушен гидрогеологический режим территории, о чем свидетельствует неравномерное распределение мощности водоносного горизонта, наличие участков повышенного уровня грунтовых вод. По результатам расчетов скорость грунтового потока в среднем составляет 0,0049 м/сут. Коэффициент фильтрации грунтов принят по данным откачек, проведенных трестом инженерно-строительных изысканий ОАО «ОмскТИСИЗ» k = 0,2 м/сут.

Согласно требованиям СП 11-105-97, в качестве опасных геологических и инженерногеологических процессов на исследуемой территории отмечено подтопление территории подземными водами, а также пучение грунтов. Уровень подземных вод в период максимума следует ожидать на глубине от 0,3 до 1,5 м, на абсолютных отметках от 93,02 до 95,91м.

По наличию процесса подтопления, условиям и времени развития процесса данная территория относится к постоянно подтопленной в техногенных условиях. Зданию необходим защитный дренаж.

В условиях мониторинга развития неблагоприятного процесса подтопления в целях уменьшения затрат рекомендуется дополнительно использовать косвенные методы уточнения фильтрационных характеристик грунтов оснований. Для этого необходимо применить методологию теории фильтрации.

При плоскопараллельном в плане движении купола подземных вод величины двух характеристик – коэффициента фильтрации k (м/сут) и коэффициента недостатка насыщения грунта µ – можно определить с помощью двух замеров длины зоны распространения подтопления L по формуле П.Я. Полубариновой-Кочиной [3, 4]:

L = 1,62 · ( k · H · t / µ )^1/2, (1)

где H – постоянный напор в источнике подтопления, м; t – время подтопления, сут.

В случае радиального в плане движения купола подземных вод величины двух характеристик – коэффициента фильтрации k (м/сут) и коэффициента недостатка насыщения грунта µ – можно определить с помощью двух замеров радиуса зоны распространения подтопления R по формуле В.И. Сологаева [5]:

R = r · {1 + [1,51 – 0,046 · ln( τ )]· ( τ )^1/2}; τ = k · H · t /( µ · r ²), (2)

где r – радиус источника подтопления; остальные величины в формуле (2) те же, что в формуле (1).

Выбор формулы с целью получения фильтрационных характеристик подтапливаемой территории – коэффициента фильтрации k (м/сут) и коэффициента недостатка насыщения грунта µ – рекомендуется производить новым способом с использованием изопахит, под которыми подразумеваем мощность водонасыщенного слоя. Определение изопахит отличается от традиционного геологического термина [6]. Обычно под изопахитой понимают линии на карте, соединяющие точки с одинаковыми мощностями одновозрастных отложений.

Заключение

Таким образом, предложен новый термин «изопахиты», под которым понимается мощность водонасыщенного слоя техногенного водоносного горизонта, формирующегося на территории города или сельского поселения в условиях подтопления подземными водами. Карты изопахит (рис. 2) более наглядно, в сравнении с традиционными картами гидроизогипс, позволяют определять на территории, защищаемой от подтопления, купола (бугры) подтопления в ходе мониторинга.

Имея в течение двух моментов времени мониторинга два натурных замера зон подтопления L или R , с помощью соответствующей формулы (1) или (2) предлагаем составить систему из двух уравнений с двумя неизвестными k и µ . Решая полученную систему, можно найти искомые фильтрационные параметры k и µ . Их достоверно полученные величины позволят обоснованно запроектировать защитный дренаж для здания и окружающей территории города или сельского поселения.