ПОДТОПЛЕНИЕ ГОРОДОВ
ПОДТОПЛЕНИЕ ГОРОДОВ
Наступление моря на сушу идет не только поверху, но и под землей. Вторжение морской воды снизу менее заметно, чем поверхностное, так как действует медленно и скрытно, но не менее опасно. Как же оно происходит?
В обычных, естественных условиях уровень моря почти повсеместно (за исключением отдельных низинных территорий) расположен ниже уровня подземных вод, насыщающих берега, — происходит разгрузка подземных вод в море. Но, как всюду, человек и здесь вмешивается в дела природы. На пути текущих к морю подземных вод он ставит «сети» в виде водозаборных скважин и перехватывает поток воды.
Во многих прибрежных районах мира в течение ряда десятилетий города, сельское хозяйство и промышленность используют для водоснабжения и орошения подземные воды. Поэтому общий напор этих вод понизился на значительную величину, достигающую десятков метров. Образующаяся «пустота» тут же заполняется морской водой, которая под действием перепада уровней воды и в море и на материке (по закону сообщающихся сосудов) течет в сторону суши и вторгается в берег.
Возникает своеобразный «поршневый эффект» — морская вода выдавливает, вытесняет пресную воду суши и, отжимая из пор и трещин горных пород, занимает ее место.
При наступлении сильно минерализованной морской воды на пресные водоносные горизонты засоляются водозаборные скважины, оставляя жителей городов без питьевой воды, а сельскохозяйственные посевы без орошения. И еще одна неприятность приходит вместе с солеными морскими водами — их воздействие на фундаменты и другие заглубленные части зданий. В результате химического воздействия начинается постепенное разрушение бетонных или кирпичных конструкций, которые построены далеко от моря и не предназначены для работы в химически агрессивной морской среде.
Интенсивное вторжение моря в подземное пространство суши вот уже много лет беспокоит население калифорнийского побережья США, северных и западных берегов Франции, прибрежных средиземноморских районов Ближнего Востока и многих других приморских территорий. В некоторых местах морская вода проникла в глубину суши на большое расстояние, достигающее десятков километров.
Борьба с подземной морской агрессией в большинстве случаев ведется тоже с помощью воды. На пути вторгающегося в сушу моря ставят гидравлическую плотину — так называемый барраж. Он представляет собой заградительный барьер, состоящий из линейного ряда скважин, через которые под землю нагнетается (или просто наливается) пресная вода. Накапливаясь вблизи нагнетательных скважин, она образует бугры искусственных подземных вод, которые постепенно растекаются и сливаются друг с другом, образуя своеобразную водную завесу, высотой превышающей уровень моря. На пути моря-агрессора встает надежная преграда. Закачка пресных поверхностных (чаще всего речных) вод обычно осуществляется в зимнее и весеннее время года, когда расходы на водоснабжение, и особенно на ирригацию, резко снижаются. Освобождающийся в этот период объем пресной воды, можно использовать для восполнения израсходованной ранее части подземных вод и поднять их уровень с помощью нагнетательных скважин.
Главная задача — создание тока подземных вод к морю, для чего необходимо превышение уровня пресных вод над морскими, может быть решена и другим путем. Если нет резерва речной воды и гидравлический барраж делать не из чего, то с вторгающейся морской водой поступают просто: ее перехватывают тем нее заградительным рядом скважин, откачивают и сбрасывают обратно в море. В результате этого на линии скважин создается понижение уровня морской воды, которая затем уступает место воде пресной.
Удачное решение проблемы дает применение метода спаренных скважин. Состоит он в том, что на некотором расстоянии друг от друга устанавливают два ряда водозаборных скважин. Один из них расположен в пределах подземных пресных, другой — вторгшихся в сушу морских вод. При одновременной откачке из таких спаренных скважин между ними под землей образуется строго определенная граница раздела соленых и пресных вод. В каждую сторону от этой границы распространяется своя зона, соответствующая области влияния того или другого ряда водозаборных скважин. Такая граница поддерживается постоянно.
Помимо естественных морей, омывающих континенты, агрессию на сушу осуществляют и искусственно созданные человеком моря — водохранилища. Посмотрим на географическую карту европейской части СССР, которая обладает лишь 20% всех речных ресурсов страны. Эту несправедливость природы исправляют гидротехники. Синие нитки рек во многих местах перевязаны толстыми голубыми узлами. Это гидроузлы, водоподпорные плотины которых поднимают уровень воды в реках и образуют водохранилища, позволяющие создавать сезонные внутригодовые и многолетние запасы воды.
Кроме водохозяйственной роли водохранилища имеют и энергетическое значение. В послевоенные годы нашей стране нужно было срочно поднять экономику, восстановить разрушенную промышленность, наладить сельское хозяйство. В основе этого подъема было развитие гидроэнергетики. «Великие стройки коммунизма» — так претенциозно были названы развернувшиеся гидротехнические строительства на Волге, Днепре, Дону, Куре. В небывало короткий срок поднялись гидроэнергетические гиганты у Жигулей, Каховки, Цимлянской, Севана, Мингечаура.
Однако, как и всякое «исправление ошибок природы», водохозяйственное строительство помимо полезности имеет и свои минусы, о которых надо помнить.
Аккумулируя паводковые воды, водохранилища фактически заменяют ежегодные естественные половодья одноразовым неповторяющимся искусственным разливом. В связи с сооружением на плоскостях Восточно-Европейской равнины новых рукотворных морей (Цимлянского, Каховского, — Рыбинского, Горьковского и др.) потребовалось затопление большой территории. Водохранилища на реках влекут за собой и самые серьезные изменения естественных гидрогеологических условий на прилегающих территориях. Большинство равнинных рек получает грунтовое питание со стороны берега за счет притока подземных вод. Возникновение же подпора речной воды в верхнем бьефе плотины вызывает подъем нескольких, а то и десятков метров.
Вдоль водохранилища возникает своеобразная зона подпора подземных вод, ширина которой колеблется от нескольких сотен метров в хвостовой части водохранилищ до десятков километров в приплотинной части.
Рис. 58. Подпор подземных вод и фильтрационные потери из водохранилища
1 — изменение подпора подземных вод на расстоянии 200 м от берега; 2 — то же, на расстоянии 500 м от берега; 3 — фильтрационные потери воды; t — период времени от начала работы водохранилища; А — уровень подземных вод; Q — фильтрационные потери
Результаты выполненных расчетов фильтрации воды в берега (рис.58) показывают, что если расход поступающей из водохранилища воды с течением времени снижается, то подъем уровней подземных вод на прибрежной территории, наоборот, увеличивается. Как видим, фильтрация из водохранилища (фильтрационные потери) со временем уменьшается от 8000 до 6700 м3/сут. За этот же период уровни подземных вод повышаются и на расстоянии 200 м от плотины они составляют 35–43 м, а на большем удалении (500 м) — 25–37 м.
Следует отметить, что с годами интенсивность подтопления растет и постепенно достигает наибольшего значения. При этом увеличивается как ширина призмы фильтрации, так и ее высота. Например, в течение 1967–1972 гг. подпор плотины Красноярского водохранилища на Енисее в глубь берега достиг расстояния 1,5–3 км. Динамика этого распространения такова, что стабилизация уровней подземных вод не наступает даже за пять лет. При этом ширина зоны подтопления в большой степени зависит от проницаемости горных пород, слагающих берега.
Не меньшую опасность подтопления прибрежных территорий создает фильтрация из каналов, теряющих до 50–70% всей воды, которая в них поступает из водозаборов. Это, естественно, вызывает подъем уровней воды, который распространяется на многие километры, подтопляя города и поселки.
К большим магистральным каналам в их «деятельности» по подтоплению близрасположенных населенных пунктов присоединяется и огромное число более мелких оросительных каналов ирригационной сети. Мало того, и сам процесс орошения сельскохозяйственных полей, особенно с самотечной подачей воды по бороздам, ведет также к интенсивной инфильтрации поливной воды в грунт.
В результате подземных наводнений происходит заболачивание низинных участков, образуются целые «фильтрационные» озера. Например, озера в зоне Каракумского канала, Саракамышское озеро в Средней Азии и др. Кроме того, при подъеме уровней подземных вод из нижних горизонтов земли вымываются вредные соли. Поднимаясь вверх, образовавшийся раствор достигает почвенного слоя и после испарения влаги соль покрывает землю белым налетом.
Борьба с подтоплением обжитых человеком территорий ведется разными способами. Во-первых, принимаются меры по улучшению оросительных и других каналов. Для этого применяют противофильтрационную гидроизолирующую одежду — покрывают откосы и дно каналов бетоном, железобетоном, асфальтобетоном, полиэтиленовой пленкой и т.п. Во-вторых, там, где это возможно, вообще отказываются от открытых каналов и применяют трубы и лотки, из которых вода не фильтрует.
Но главное, всюду, где можно, необходимо отказываться от традиционного принципа полива посевов, когда затрачивается большое количество лишней воды. Другим способом уменьшения количества подаваемой на поля оросительной воды является подпочвенное орошение. Оно состоит в том, что вместо каналов и борозд для подачи воды растениям применяют зарытые в землю дырчатые трубы. Струйки воды в нужном количестве поступают под почвой непосредственно к корням растений. Лишняя вода не расходуется.
И совсем экономично так называемое «капельное орошение», которое недавно стало применяться в Израиле, Италии и некоторых других южных странах. Его идея заключается в том, что оросительная вода под напором подается к корневой системе каплями с помощью трубок-капилляров, опущенных в почву.
В Ташкентском институте» Гидроэнгео Министерства геологии Узбекской ССР исследованы условия и характер подтопления около 30 городов, расположенных в орошаемых районах Средней Азии. К их числу относятся такие большие города, как Ташкент, Самарканд, Бухара, Фергана, Чирчик, Хива, Наманган, Андижан, Нукус и др. На окружающих эти города землях в течение многих десятилетий, а то и веков почти без перерыва ведется интенсивное орошение хлопковых плантаций. В результате насыщения водой толщи грунтов возникают новые горизонты подземных вод, размеры которых часто превышают размеры природных водоносных пластов.
Подземные воды со всех сторон окружают города и ведут наступление на городские кварталы и промышленные площадки. Например, в Бухаре и Хиве уровень подземных вод во многих местах поднялся до глубины 0,5–1 м от поверхности земли и затопил подвалы и фундаменты многих домов. Хорошо еще, что знаменитые историко-архитектурные памятники средневековья поставлены древними зодчими на высоких участках, куда вода не добралась, а то бы и они пострадали.
До сих пор речь шла о внешних источниках подтопления, о подземной воде, нападающей со стороны. Однако во многих случаях у застроенных территорий есть и внутренний враг — вода, которая подтопляет их изнутри (рис.59).
Рис. 59. Подтопление подземными водами
Современный город или завод — это большой организм с развитой системой водообращения. Сердцем его служит водозабор — насосная станция, которая берет воду, например, из реки и после очистки и обеззараживания подает в водопроводную сеть. Водоводы — «артерии» города, несут воду в жилые кварталы, в паровые котлы теплоэлектростанций, в цехи заводов и фабрик.
Использованная городом и промышленностью, загрязненная механическими взвесями и химическими веществами вода сбрасывается в канализационную систему «вен» — трубопроводов. Коллекторно-сбросная сеть собирает отработанную городом воду и отводит ее на очистные сооружения, где она приобретает статус «условно чистых стоков», сбрасываемых в реку.
На всех этапах подачи, использования и отвода воды неизбежны ее потери, которые связаны с утечками через неплотные стыки водопроводных труб и канализационных коллекторов, а также с эпизодическими прорывами трубопроводов. Особенно много воды сбрасывают промышленные предприятия с так называемой мокрой технологией (например, сталелитейная или химическая промышленность). Значительная часть воды помимо испарений, просачивается в землю.
Производственные стоки и водопроводная вода, попадающие в грунт, накапливаются в нем и образуют своеобразные техногенные горизонты подземных вод. От года к году уровень этих вод поднимается все выше и выше и, наконец, начинает подтоплять подвалы и фундаменты зданий.
Еще серьезнее изменения инженерно-гидрогеологических условий, происходящие в течение длительных промежутков времени и на больших застроенных площадях. По данным Одесского статистического комитета, опубликованным в 1865 г., s северо-западной части города, в частности в районе Дальних и Ближних мельниц и в слободке Воронцовке, подземные воды почти не наблюдались. Однако после начавшегося в 1870 г. строительства Днестровского водопровода гидрогеологические условия района резко изменились. Во многих частных колодцах уровень воды поднялся на десятки сантиметров, а то и на метры. В 1936 г. уровни подземных вод от действия многих факторов поднялись настолько, что оказались подтопленными подвалы мукомольного института, кондитерской и мебельной фабрик и других предприятий.
На прибрежных участках Одессы подземные воды в 1939 г. были встречены на глубине 10–18 м лишь в районе парка им. Шевченко и Аркадии. Через 10–15 лет, в 50-х годах, площадь распространения подземных вод на одесском побережье Черного моря значительно расширилась и охватила весь оползнеопасный участок берега от Аркадии до мыса Большой Фонтан. Искусственно образовавшийся водоносный горизонт, возникший поначалу в виде отдельных куполов, в последующем распространился со скоростью 20–30 м/год на большую территорию. Уровень подземных вод поднялся со временем до глубины 5 м, ав Ленинском поселке, на Шкодовой горе, в районе улиц Богдана Хмельницкого, Белинского и др. — до 0,5–3 м от поверхности земли.
Таких примеров можно привести много (рис. 60, 61, 62).
Подъем уровней подземных вод за счет инфильтрации в грунт воды с поверхности земли — это явный, легко распознаваемый вид подтопления. Однако есть еще и скрытые пассивные формы подтопления, когда на подъем уровней воды под землей влияют косвенные, на первый взгляд незаметные, причины. Наиболее удивительно проявление процесса подтопления в засушливых безводных районах. Еще в начале 50-х годов было замечено, что после завершения строительства на промышленных площадках и в городах в подвалах зданий появлялась вода. Это явление имело место даже в засушливых районах, где подземные воды всегда были большой редкостью.
Причину загадочного процесса объяснили ученые — геологи, гидрогеологи и грунтоведы. Дело в том, что после того как промышленные предприятия и городские кварталы домов закрывают поверхность земли, начинается усиленное выделение конденсационной влаги. Водяные пары устремляются к подошве фундаментов, где температура ниже, чем в атмосфере. Этот процесс четко проявляется повсеместно вокруг нас. Вспомним стог сена, долгое время простоявший в поле, большой камень или кирпич — когда его убирают, почва под ним оказывается влажной.
Образующийся под сооружениями и асфальтовым покрытием конденсат испариться не может, поэтому он начинает скапливаться в грунте и образовывать верховодку.
К накоплению подземной влаги приводит и переформирование рельефа при строительстве и организации стройплощадки: планировка местности, засыпка оврагов, западин и т.п. При этом затрудняется поверхностный сток атмосферных осадков, который раньше происходил естественным образом.
Рис.60. Болотные травы на улицах Астрахани — свидетельство близости к поверхности земли подземных вод
Рис. 61. Камышовые заросли в Астрахани
Рис. 62. Древние стены, не только затопленные сверху, но и подтопляемые подземной водой снизу
В других случаях скрытое подтопление связано со строительством не на поверхности земли, а под ней. Например, в Харькове после прокладки метрополитена в прилегающих к его трассе городских кварталах во многих домах и котельных начали подтопляться подвалы. В чем дело? Приведенные инженерно-гидрогеологические изыскания показали, что тоннели метро, построенные поперек потока подземных вод, сыграли роль своеобразной водоподпорной плотины — барража. В «верхнем бьефе» этой плотины уровни подземных вод резко повысились и достигли поверхности земли. Аналогичные процессы наблюдаются и в других городах, где построены перегораживающие течение подземных вод сооружения, транспортные и коммунальные тоннели, шахты, коллекторы, глубокие подвалы и фундаменты.
В последние годы барражный эффект, который оказывают подземные сооружения, стал учитываться — строительство под землей сопровождается устройством дренажа, предотвращающего подъем уровней подземных вод.
Мы рассказали о причинах подтопления, о его источниках. А каков механизм этого процесса? Почему вода, попадающая извне в землю, в большинстве случаев не уходит в более глубокие пласты и не растекается в стороны? Дело в том, что самый верхний слой горных пород, на которых мы строим свои города, — это почти повсеместно распространенные суглинки, глины, иловатые пески и супеси, слабопроницаемые грунты со слабой водоотдачей и плохой естественной дренированностью. Попадающая в такие грунты вода никуда не стекает, накапливается в виде так называемых верховодок, уровень ее растет и достигает критической глубины, при которой подтопляются города, заболачиваются и засоляются земли. Правда, процесс этот не бесконечен — со временем испарение с поверхности подземных вод уравновешивает их поступление и подъем прекращается.
Борьба с подтоплением ведется различными средствами, многие из которых применяются в комплексе друг с другом. Первое, самое радикальное мероприятие — это устранение причин подтопления, о чем уже говорилось. Противофильтрационная облицовка каналов, герметизация водопроводов и коллекторов, ликвидация утечек, организация водосбора и водоотведения дождевых и талых вод ливневой канализацией — наиболее надежный путь предотвращения подтопления.
Второй способ борьбы с поднимающимися подземными водами — это герметизация заглубленных сооружений. Идея здесь простая: пусть растет уровень воды, важно, чтобы он не затопил подвалы домов.
К сожалению, это не всегда оказывается достаточным. Часто подтопление приводит к ослаблению грунтов, на которых стоят здания, к их вымыванию, выщелачиванию и т.д. Основания сооружений теряют прочность, деформируются, вместе с ними теряют устойчивость и сами сооружения. Поэтому более действенным, активным средством борьбы с подземными водами является дренаж, который понижает их уровень до безопасной глубины.
В тех случаях когда источник подтопления известен и направление потока точно определено, строят отсечный (защитный) дренаж. Он перехватывает подземные воды и не дает им достигнуть застроенной территории. Таким линейным дренажем отсекают фильтрационное течение из водохранилищ или каналов.
Если же подтопление охватывает защищаемую территорию равномерно, например при утечках воды из городской водопроводной и канализационной сети, то устраивают систематический дренаж. Он представляет собой сеть дренажных сооружений, равномерно расположенных по всей дренируемой площади. В частности, это сеть вертикальных дренажных скважин, размещенных в шахматном порядке во всех районах города. Или это система пересекающихся друг с другом горизонтальных дрен, проложенных по прямоугольной сетке («шахматная доска»).
В случае необходимости защиты от подтопления отдельных зданий, цехов заводов или даже некоторых заглубленных сооружений строят локальный дренаж, понижающий уровень подземных вод лишь на заданных участках. Он выполняется в виде одиночных водопонизительных скважин или их групп либо в виде отдельных горизонтальных дрен.
Такой дренаж может устанавливаться и в виде кольцевых систем вертикальных, скважин или горизонтальных дрен, окружающих защищаемое сооружение, а также пристенного гравийно-песчаного дренажа. Подтопляемые трубопроводные, транспортные и кабельные линейные коммуникации сопровождаются так называемым попутным дренажем, который прокладывается рядом (и ниже) с самими коммуникациями.
Кроме вертикального и горизонтального дренажа, применяют комбинированный, состоящий из горизонтальных дрен со скважинами-усилителями, снимающими напор лежащего ниже напорного водоносного пласта. Зачастую возникает необходимость защиты от подтопления эксплуатируемых заводских цехов или жилых зданий. В таких условиях строить локальный дренаж очень трудно — подземное пространство здесь почти полностью занято трубами, кабелями, колодцами и т.п.
Успешным может оказаться применение, закрытого лучевого дренажа. Строится он так. Рядом со зданием сооружается шахтный колодец, из которого в грунт пробуриваются горизонтальные лучевые скважины. Они располагаются непосредственно под зданием и при откачке воды обеспечивают требуемое понижение уровня подземных вод. При этом необходимо следить за тем, чтобы осушение грунтов шло постепенно, иначе могут произойти неравномерные осадки основания, а само здание может перекоситься.