Мониторинг земель как научное направление (история, концепция, методология, технология)

Более 50% территории города подтоплены, т. к. уровень грунтовых вод залегает на глубине до 3-х метров от поверхности земли. В состоянии постоянного подтопления находятся 25% земель города и 20-25% подтапливаются периодически.(рис.1) Подтопление усиливает проявление других геологических процессов, в частности, эрозионных и оползневых (около 7% долины р.Москвы поражены оползнями).

Геологическая среда — наиболее медленно изменяющаяся часть природной среды. В течение года и даже нескольких лет не всегда можно зафиксировать колебания показателей состояния геологической среды. Но эта стабильность кажущаяся, т. к. при воздействии на геологическую среду в ней накапливаются изменения, которые в дальнейшем могут привести к негативным, а в иных случаях и катастрофическим последствиям.

Рис.1

Для исправления этого положения Правительством Москвы как приоритетное в рамках программы «Безопасность Москвы» выделено направление по оценке геологического риска.

Существование геологического риска на территории Москвы связано с развитием таких геологических процессов как карстово-суффозионные провалы, оползни, подтопление территории, образование различных техногенных и других слабых грунтов и их повышенная сжимаемость, образование различных техногенных физических полей. Каждый процесс приурочен к определенным геологическим условиям и видам техногенного воздействия, имеет свои пространственные и временные закономерности, характеризуется специфическими причинно-следственными связями.

Воздействие города на геологическую среду многообразно. На территории города под воздействием различных факторов техногенного характера развивается гравитационное и динамическое уплотнение пород, сдвижение пород в массиве, гидростатическое взвешивание и сжатие рыхлых водовмещающих пород, механическая и химическая суффозия и т. д. Воздействие города наиболее активно проявляется в поверхностных слоях земной коры, примерно до глубины 60-100м, хотя в отдельных случаях может простираться до глубины 1,5-2,0км.

Чтобы бороться с отрицательными последствиями развивающихся процессов, необходимо знать причины их возникновения, закономерности развития. Среди различных факторов, оказывающих влияние на геологическую среду, следует выделить механическое воздействие, откачку подземных вод, нарушение инфильтрационного баланса грунтовых вод, создание подземных выработок, изменение физических полей геологической среды.

Наиболее распространенным видом воздействия являются статистические нагрузки на толщу пород от веса зданий и сооружений. Величина этих нагрузок изменялась по мере роста этажности зданий, плотности застройки территории и применяемых строительных материалов. На начальной стадии развития города, когда возводились в основном деревянные сооружения, нагрузки на грунт не превышали 0,01-0,05 мегапаскаль(Мпа). С появлением каменных зданий и сооружений нагрузки постепенно возросли до 0,15-0,2Мпа. Массовое строительство многоэтажных зданий привело к увеличению нагрузок на грунт до 0,2-0,3 Мпа. Опоры мостов через р.Москву передают давление на грунт от 0,4 до 1,2 Мпа. Давление от высотных зданий, сооруженных в начале 50-х годов, составляет 0,35-0,5 Мпа. Преобладающая величина давления от современных многоэтажных жилых домов не превышает 0,2-0,3 Мпа, что связано с применением современных строительных материалов.

Другим видом техногенного воздействия на геологическую среду является откачка подземных вод, вызывающая снижение гидростатических напоров и статических уровней горизонтов подземных вод. Нарушение природной гидродинамической обстановки приводит к изменению напряженного состояния водовмещающих толщ пород и, как средство этого, уплотнению пород в пределах образующихся депрессионных воронок. Это, в свою очередь, служит причиной опускания поверхности территории и многочисленных нарушений (аварий) в техносфере города. Наиболее опасными геологическими процессами, связанными с откачкой подземных вод, являются карстово-суффозионные и суффозионные явления.

Мощным фактором воздействия на геологическую среду города является строительство подземных сооружений. Возведение и эксплуатация подземных объектов ведется в условиях интенсивного водоотвода от строящихся сооружений. Например, суммарная откачка грунтовых и подземных вод при строительстве и эксплуатации Московского метрополитена составляет от 10,8 до 180 м3/сут. Снижение уровня подземных вод достигает 30 и более метров. Это приводит к изменению напряженного состояния пород вокруг строящихся сооружений, нередко сопровождающегося уплотнением грунтов с образованием на поверхности земли мульды оседания, а также провоцирует процессы карста и суффозии.

Наконец, разнообразная производственная деятельность людей, а также транспорт и коммуникационные системы изменяют физические поля Земли, что сказывается на состоянии геологической среды и ее свойствах. К их числу относятся акустическое, вибрационное, температурное, электрическое и электромагнитное поля. Причем по своему уровню техногенные физические поля часто превышают санитарные нормы и отрицательно воздействуют не только на техносферу, но и на здоровье жителей города.

Наиболее широко известными видами опасных геологических процессов, развивающихся на территории Москвы и влияющих на устойчивость зданий и сооружений, являются карстово-суффозионные, суффозионные и оползневые процессы. Последствия от их проявления могут носить катастрофический характер, и это обуславливает необходимость организации постоянных наблюдений и обследований с целью прогнозирования и разработки защитных мероприятий.

До 70-х годов нашего столетия считалось, что на территории города карст не является угрожающим, хотя он и доставляет много неприятностей при освоении подземного пространства. Эту точку зрения пришлось пересмотреть в связи с активизацией в конце 60-70-х гг. провалов и неравномерных оседаний земной поверхности на северо-западе столицы в районе Хорошевского шоссе.

В настоящее время достоверно известные карстовые провалы в северо-западной части Москвы сосредоточены на площади, не превышающей 1,7% городской территории. Здесь насчитывается 42 провальных воронки, 13 из которых детально изучены. Одни провалы образовались под фундаментами жилых домов (Хорошевское шоссе, Новохорошевский проезд), другие появились на проезжей части дорог (ул. Куусинена, 1973г., проспект Маршала Жукова, 1996г.) или вблизи жилых домов и промышленных сооружений.

По своему происхождению карстовые явления в Москве связаны не с растворением карбонатных пород, а с вымыванием, выносом заполнителя из карстовых погребенных полостей заполняющего их материала, т.е. эти процессы относятся к карстово-суффозионным. Кроме карстово-суффозионных процессов, в Москве широко развиты также и явления механической суффозии.

Механическая суффозия представляет собой процесс выноса подземными водами мелких частиц из толщи песков и трещиноватых известняков. В результате этого происходит разрыхление грунта и его оседание как от собственного веса, так и от веса зданий и сооружений. Суффозию вызывают большие градиенты  напора в фильтрационном потоке, обусловленные изменением гидродинамического режима водоносных горизонтов при откачках, вскрытии водоносных горизонтов выработками, работе дренажных систем.

Суффозия развивается и в естественных условиях на склонах берегов, рек и в оврагах — в местах выхода на поверхность подземных вод. Особенно широко суффозия проявляется на правом берегу р. Москвы — в районе Воробьевых гор, Фили-Кунцево, Хорошево, Коломенского. Суффозионный вынос тонкого материала ослабляет склоны и способствует их оползанию, а на равнинных территориях способствует оседанию и провалам. Например, естественная суффозия явилась причиной осадок и деформаций одного из корпусов старого здания МГУ, построенного на месте засыпанного Успенского оврага, по дну которого протекал ручей. Грунтовый поток в течение многих лет выносил мелкие частицы из грунта, разрыхлял его, что явилось причиной осадки здания.

Техногенная суффозия по своей интенсивности превосходит естественную и вызвана, в основном, двумя видами воздействия на геологическую среду: искусственным обводнением грунтов или их извлечением из массива. Суффозионный провал может последовать почти сразу же после любого из этих проявлений хозяйственной деятельности, но иногда реакция геологической среды запаздывает на годы и десятилетия.

Очень быстро образуются суффозионные провалы при крупных авариях водопроводных систем, когда вода вырывается из труб под большим давлением. Струйный размыв грунта приобретает тогда катастрофический характер, распространяется по всем подземным трещинам, каналам и контактным поверхностям, сопровождается интенсивным выносом дисперсного материала. Возникающие при этом полости мгновенно обрушаются. Тем не менее, это — не самый опасный вид суффозионного провалообразования, поскольку коммунальные службы быстро реагируют на подобные аварии, устраняя их первопричину.

Гораздо хуже обстоит дело, когда утечка мала, но постоянна. Картина развития суффозионного процесса в этом случае мало отличается от природной, только протекает интенсивнее. Например, суффозионный провал подобного типа уже несколько лет возобновляется после засыпок на одном и том же месте у юго-восточного берега пруда, находящегося возле Дворца пионеров на Воробьевых горах.

Необходимо отметить, что в ходе строительных работ часто создаются условия, благоприятные для протекания суффозии, причем в тех местах, где ее никогда не было. К подобному результату приводит отсыпка песчаных и крупнообломочных грунтов на слабопроницаемые основания, перекапывание глинистых грунтов, создание поверхностей контакта грунта с различными искусственными материалами и многое другое.

Очень часто развитие суффозии связано со строительством и эксплуатацией метрополитена. Любого рода просачивания и, тем более, прорывы подземных вод в его тоннели влекут за собой суффозионный вынос грунта, сопровождаемый оседаниями и провалами земной поверхности.

Главной же причиной развития суффозионных провалов в Москве были и остаются утечки из канализации. В отличие от тоннелей метро, канализационные коллекторы не проходят сквозь водоносные горизонты, но вода над ними все равно накапливается через неплотные стыки и щели, увлекая за собой грунтовые частицы. На контакте грунта со щелью очень медленно, но неуклонно растет суффозионная полость, пока процесс не завершился провалом. Его засыпают, поврежденный участок проезжей части или тротуара асфальтируют, а затем процесс начинает развиваться сначала.

Искусственные подземные пустоты способны вызывать провал и без участия суффозии, исключительно за счет гравитационного обрушения лежащих над ними грунтов. В центральной части Москвы в подземном пространстве находится достаточно много заброшенных подземных сооружений (колодцев, погребов, подземных переходов), местоположение многих из которых остается неизвестным. При определенных обстоятельствах такие погребенные пустоты могут служить причиной образования гравитационных провалов.

Образование полостей различного генезиса (карстово-суффозионных, суффозионных, гравитационных), особенно в короткие (катастрофические) промежутки времени, часто фиксируются по сейсмическим наблюдениям. Такие микроземлетрясения некоторые исследователи относят к проявлению эндогенных процессов, и на этом основании предлагают организовать исследования по изучению глубинного строения литосферы и мантии.

Глубокие оползни, поражающие 15 склоновых участков долины р. Москвы, по активности могут быть подразделены на две группы: стабильные и активные, находящиеся на стадии подготовки основного смещения.

К первой группе стабильных оползней относятся оползни на шести оползневых участках: Сходня, Сабурово, Капотня, Тушино, Хорошево-2, Поклонная гора. При этом стабильность оползней первых трех участках обусловлена тем, что к склонам прислонены пойменные террасы, играющие роль упора (контрфорса); на остальных участках были выполнены противооползневые мероприятия.

Помимо перечисленных участков можно назвать также район Нижних Мневников, где в настоящее время выполняются противооползневые мероприятия. После выполнения противооползневых мероприятий глубокие оползни пока не проявляют признаков активности на участках: Воробьевы горы, Фили-Кунцево и Коломенское.

Активные оползни на пяти участках — Щукино, Серебряный бор, Хорошево-1, Москворечье и Чагино продолжают развиваться в естественных условиях под воздействием эрозионной деятельности р.Москвы со скоростями смещения грунтовых масс в сторону реки, равными нескольким сантиметрам в год. Из-за пластичности грунтов трещин пока не прослеживается, что при визуальном осмотре склонов создает иллюзию их стабильности.

Ежегодные, почти в течение 30 лет, наблюдения за поверхностными и мелкими оползнями на Воробьевых горах, в Фили- Кунцево и Коломенском показали, что в естественных природных условиях, которые имели место на этих территориях вследствие их заповедного характера, различные оползневые проявления активизируются с разной периодичностью, но массовая их активизация отмечается в 1962-1963 гг., 1973-1976 гг. и в 1983- 1986 гг., т.е. с периодичностью в 9-11 лет, что хорошо коррелирует с закономерностями, выявленными для Европейской территории Российской Федерации.

Большое влияние на развитие поверхностных и мелких оползней оказывает и нерегулируемая хозяйственная деятельность. Воздействие это имеет преимущественно негативный характер, что выражается в накоплении на склонах и присклоновых участках хозяйственного мусора и насыпных грунтов, сбросе в овраги хозяйственных и атмосферных поверхностных вод, подрезке склонов долин рек и бортов оврагов, плохой заделке траншей при прокладке коммуникаций вблизи склонов. Все это приводит к увеличению числа оползней.

Многовековое развитие столицы определяет постоянное уменьшение общей площади земель, имеющих естественный и насыпной почвенный покров. Поэтому на всей территории города он имеет пятнистое распространение и представлен на землях лесопарков, парков, палисадников, скверов, на газонах, клумбах и под отдельно стоящими древесно-кустарниковыми насаждениями. Размеры участков земель, покрытых почвенным слоем, варьируют от м2 до тысячи гектаров.

В Москве естественный почвенный покров на большей части города уничтожен. Зеленые насаждения скверов, бульваров и газонов создаются на искусственных гумусированных почвенных субстратах мощностью от 30 до 100см. Вместе с тем, в старой части Москвы, там, где насаждения существуют несколько веков (у стен Кремля, Пашков дом), сформировались темноцветные гумусные урбаноземы, отличительной особенностью которых является нарастание вверх за счет аккумуляции городской пыли и других отложений.