Геоэкологические проблемы городов

В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин

Геоэкологические проблемы городов весьма разнообразны и определяются, с одной стороны, природной обстановкой и с другой - планировочными решениями и их реализацией в застройке и эксплуатации городских территорий. Также правомерно говорить о некоторых общих тенденциях изменения геоэкологической обстановки природной территории, по мере ее трансформации кварталами городской застройки и частными воздействиями, свойственных только тем или иным природным условиям застройки, тому или иному городу.

В качестве наиболее общих тенденций изменения геоэкологических условий можно рассмотреть следующие композиции. Изменение водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами. Наиболее обычным его следствием является повышение уровня грунтовых вод, вызываемое двумя однонаправленными процессами. Заменой естественного почвенного покрова застроенными и заасфальтированными территориями, что практически исключает из водного баланса испарение с поверхности почвы и протечки водопроводных и канализационных систем, круглогодично обеспечивающие возможность восполнения ресурсов грунтовых вод. Оба эти обстоятельства, в сочетании с планировкой территории, полной или частичной ликвидации естественных дрен, приводят к подъему зеркала грунтовых вод, подтапливанию оснований и фундаментов зданий и сооружений, снижению несущей способности грунтов основания и, как следствие, деформация, а в критических ситуациях - разрушение зданий и сооружений.

В случаях, когда на территории города производится промышленная эксплуатация глубоких горизонтов подземных вод и возникает адекватная депрессионная воронка, при условии постоянного восполнения грунтового водоносного горизонта, о чем сказано выше, усиливается инфильтрация грунтовых вод в глубокие горизонты. Этот процесс активизации вертикального движения подземных вод сопровождается развитием процессов суффозии (выноса тонкоземистого материала) или карста (растворения и выщелачивания карбонатного материала известняков с образованием карстовых полостей). Нечто подобное наблюдается, в частности, на северозападе Москвы, где обнаружены новые горизонты карстования в карбонатных породах карбона, а карстовые полости распространились местами к самой застроенной поверхности города.

Изменение теплового баланса вызванное совокупностью многих причин, включая изменение альбедо подстилающей поверхности, представленной на преобладаюющей площади асфальтовыми покрытиями и кровлями зданий, степени ее освещенности и затененности в условиях многоэтажной застройки, сбросом тепла ГРЭС, ЦЭС, транспорта, зданий, канализационных стоков и горячей воды при протечках в системах теплоснабжения. И, как следствие -

Изменение температурного режима подземного пространства в основании города вследствие изменения теплового баланса поверхности и непосредственного влияния зданий, сооружений и городских коммуникаций. В частности, геотермическая аномалия порядка +15С0 сформировалась в основании Москвы, а повышенная температура подземных вод в пределах этой аномалии способствует еще большей активизации глубинных карстовых процессов и усугубляет без того сложное положение с эксплуатацией зданий и сооружений на северо-западе столицы.

Изменение геодинамической ситуации, вызванное дополнительной, и притом неравномерной пригрузкой поверхности за счет привнесенных масс материалов строительных конструкций, в пределах территории города. Этот фактор дополнительной пригрузки может сопровождаться также одновременной откачкой подземных вод, в случае их использовании для питьевых или технических целей. Как следствие на фоне общего опускания поверхности городов (под действием изостатических сил и изъятия подземных вод из порового пространства горных пород основания города), активизируются местные, очаговые оползневые и солифлюкционные процессы способные в условиях городской застройки привести к деформации зданий, и коммуникаций.

Загрязнение подземного пространства и содержащихся там водоносных горизонтов за счет инфильтрации вод с поверхности улиц и дворов, протечек через неплотности конструкций дренажных канав и канализационных систем, просачивания атмосферных осадков через свалки твердого мусора.

Особого внимания заслуживает развитие неблагоприятной инженерно-экологической ситуации городов и поселков, расположенных в мерзлотных условиях. Криогенные геологические процессы, развивающиеся в подобных условиях могут быть наиболее обстоятельно рассмотрены на примере Якутска - города, заложенного и построенного в крайне сложной геокриологической обстановке.

Якутск расположен на поверхности аккумулятивных надпойменных террас реки Лены, сложенных супесчаными и суглинистыми мерзлыми (многолетнемерзлыми) породами, имеющими постоянную температуратуру порядка -40С. и содержащими в своем составе лед в форме основного цемента, а также шлировых выделений, ледяных линз и вертикальных клиньев (так называемых повторно-жильных льдов). Над мерзлыми породами располагается сезонноталый слой (слой сезонного оттаивания), глубина которого от поверхности измеряется несколькими десятками сантиметров - первыми метрами, в зависимости от состава грунтов, экспозиции склонов, условий обводненности (дренированности). В естественных условиях она определяется природными неровностями рельефа, в частности - впадинами озерно-старичной сети, расчленяющей поверхность террас и обеспечивавшими тем самым дренирование сезонно-талого слоя. Застройка города и связанная с этим обстоятельством перепланировка поверхности и коренное изменение водного баланса вызвала к жизни целый комплекс геокриологических процессов, последствия которых существенно осложняют условия строительства и, главное, надежность эксплуатации уже выстроенных зданий и комфортность проживания во многих из них. В частности:

Организация кварталов, ограниченных улицами привела к тому, что под улицами на которых либо убирается зимой снег, либо уплотняется транспортом, процессы охлаждения недр усиливается в сравнении с внутриквартальным пространством. В результате поверхность мерзлых пород по периферии кварталов становится приподнятой относительно внутриквартальной, а все внутриквартальное пространство оказывается отрезанным от природных дрен. При отсутсивии искусственного дренажа или неадекватной его эксплуатации возникают условия, способствующие подтоплению сезонноталого слоя внутриквартальных территорий со всеми расположенными там зданиями. Этому подтоплению способствуют протечки водопроводно-канализационных систем, поставляющих на территорию города и каждого его квартала дополнительные к осадкам количество влаги.

Постройка зданий, особенно повышенной этажности, приводит к изменению условий инсоляции поверхности и, как следствие, контрастированию температурных условий подземного пространства - относительному понижению отрицательных температур в пределах затененной поверхности и ее повышению под освещенной. В результате измениться свойства и несущая способность мерзлых пород основания зданий и сооружений, что в критических случаях может привести к деформации строительных конструкций.

Перепланировка поверхности, необходимая для организации городской территории, в частности - подсыпска грунта в основание строящихся зданий и сооружений в сочетании с протечками воды из технических этажей, водопроводов и канализационных систем также способствует подтоплению ранее построенных домов, дворов и даже уличных проездов.

Систематическое подтопление внутриквартальных территорий, включая грунты оснований расположенных там зданий и сооружений, приводит, в свою очередь, к повышению температур грунтов основания и их переходу из мерзлого состояния в талое, либо из прочномерзлого в вяломерзлое. В первом случае, если строительство велось по первому принципу - с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии, деформации здания, вплоть до его разрушения неизбежны, во втором - их вероятность существенно возрастает.

Нарушение геохимического баланса поверхности, грунтов основания и конструкций зданий и сооружений - еще один геоэкологический процесс, происходящий в экстремальных климатических условиях севера и оказывающий решающее влияние на длительную устойчивости надземных строительных конструкций. Его суть состоит в том, что в условиях Центральной Якутии на территории которой испаряемость существенно превышает количество осадков, при устойчивом подтоплении внутриквартальных территорий и отсутствии дренажа надмерзлотных вод, удаление какой то части излишней влаги с поверхности и из грунтов сезонноталого слоя происходит в результате ее испарения. Испарение, в свою очередь, приводит к последовательному и непрерывному возрастанию минерализации надмерзлотных вод. Однако известно, что чем выше минерализация воды, тем более низкие температуры потребны для ее замерзания. Следствие этого процесса - сохранение остаточных или формирование новых линз жидкой воды, имеющей отрицательную температуру, существующих круглогодично. Такие отрицательнотемпературные воды получили название криопэги от латинского криос - холод, и пэги - воды.

В условиях переменных температур грунтов верхней части геологического разреза, а амплитуда их температур в Центральной Якутии приближается к 100 Со, минерализация воды в таких линзах не остается постоянной но меняется, возрастая при ее охлаждении и понижаясь при повышении температуры воды. Адекватно меняются и объемы линзы криопэгов - часть воды при понижении ее температуры замерзает, отдавая часть растворенных солей остающейся влаги, для того, чтобы при повышении температуры вновь произошло оттаивание очередных порций надмерзлотных вод или грунтового льда-цемента. В результате такой "гармоники" температур и объемов воды, линзы криопэгов мигрируют в подземном пространстве в направлениях более высоких относительных температур и более льдистых грунтов. Подобная миграция линз криопэгов в случае, если линза переместится в основание здания может привести к деформации фундамента и самого здания.

Физико-химическое выветривание, известное из школьных учебников - еще один реальный геологический процесс, существенно осложняющий эксплуатацию зданий и сооружений. Его суть, в конкретных условиях северного города, сводится к следующему. В результате недостаточной гидроизоляции от надмерзлотных вод стен зданий, построенных из кирпича, шлакоблоков и других подобных строительных материалов, происходит капиллярное подтягивание влаги к рантбалке и далее в материал стены. В результате понижения - повышения температур по сезонам года, в дневное и ночное время, происходит протаивание-промерзание этой воды, причем в области отрицательных температур. При замерзании капиллярной влаги часть растворенных в ней солей, в первую очередь - гидрокарбонатов кальция и магния, переходит в нерастворимый осадок. Агрессивность воды по отношению к бетону возрастает, что приводит к растворению уже новых порций материала конструкции. Этот процесс происходит на фоне непрерывного замерзания-оттаивания воды в порах конструкционных материалов, сопровождается эффектом отслоения какой то их части, вплоть до полного разрушения стены, реже части рантбалки или свайного основания.

Однако геохимические процессы, в сочетании с промерзанием-протаиванием грунтов, воздействуют не только на здания и сооружения, но также и на подземные коммуникации - электрические и телефонные кабели, водопроводные и канализционные сети. Высочайшая агрессивность надмерзлотных вод по отношению к бетону и металлу вызывает коррозию железных и стальных труб, изоляции кабелей, а растягивающие усилия, возникающие в результате смерзания линейных подземных конструкций с грунтом и понижения температур последнего зимой, приводит к морозному растрескиванию грунтов и разрыву конструкций в зоне такого растрескивания.

Выпучивание деревянных свайных оснований старого города - еще один геологический процесс, существенно влияющий на состояние дорожного полотна и тротуаров, приводящий к нарушению балластной подушки и асфальтового покрытия. Его возникновение также связано с изменением воднотеплового баланса грунтов основания дороги.

Таков комплекс инженерных геоэкологических процессов существенно осложняющих строительство и, в особенности, эксплуатацию зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, приводящий к высокой их аварийности, многократно увеличивающий ассигнования, потребные на ремонтно-восстановительные работы.