Вы здесь

Подземные воды. Применение подповерхностной радиолокации для их обнаружения, катирования и классификации

Версия для печати

Вода, содержащаяся в порах грунта, трещинах и полостях горных пород, способная перемещаться под действием сил тяжести (подземная вода), в значительной степени влияет на прочностные и деформационные характеристики грунта. Известно, что глинистые и биогенные грунты по мере увеличения влажности теряют свою прочность, а при отрицательных температурах подвержены морозному пучению. Прочность же песчаных грунтов с уменьшением влажности заметно снижается. Увеличение коэффициента фильтрации подземных вод приводит к возникновению суффозионных и карстовых процессов, а их высачивание на склонах косогоров (или на откосах насыпей) — к появлению оползневых процессов.

Известно, что существование самих подземных вод зависит от режимообразующих факторов, связанных с изменением действия ранее существовавших и возникновением новых источников питания.

Расположенные вверх по подземному потоку водоемы, промышленные предприятия с большим потреблением воды, инфильтрация утечек из крупных коллекторов систем канализации приводят к повышению уровня подземных вод, а функционирование водозаборов и дренажных систем — к понижению. Строительство зданий и сооружений с заглубленными фундаментами и освоение подземного пространства может вызвать образование барьерного эффекта и подтопление вышележащих территорий [1]. Эксплуатация сооружений нередко приводит к загрязнению подземных вод, а также к ухудшению механических свойств грунтов, вмещающих эти воды, с негативными последствиями (оползень в г. Витебске весной 2004 г.).

Существенной особенностью изменений режима подземных вод является их скоротечность. Время протекания инженерно-геологических процессов, связанных с подземными водами, оказывается сопоставимым со временем эксплуатации здания или сооружения [2]. Разумеется, что наиболее интенсивные воздействия геологическая среда испытывает в городских условиях. И поэтому здания и сооружения, запроектированные с соблюдением всех требований, через некоторое время могут оказаться в иных условиях (неизвестными становятся места и глубина залегания подземных вод), что снижает их эксплуатационную надежность.

Важным фактором обеспечения эффективного строительства является мониторинг геологической среды. Прямые его методы — зондирование и бурение скважин с отбором проб грунта. К наиболее распространенным косвенным методам относятся электрометрические, радиоволновые и сейсмические. Однако в городских условиях при наличии плотной застройки и развитой сети подземных коммуникаций бурение скважин зачастую бывает проблематичным, а использование электрометрических и сейсмических методов невозможным. Кроме того, информация, полученная путем бурения скважин, является точечной. Она характеризует свойства только тех грунтов, которые взяты из данной скважины. А широко используемая интерполяция для оценки свойств грунтов, залегающих между двумя соседними скважинами, в принципе бывает некорректна. Интерполяционная ошибка в оценке геологической и гидрологической обстановки будет тем больше, чем больше расстояние между скважинами. Метод периодического контроля подповерхностной среды должен быть, во-первых, неразрушающим, а во-вторых, непрерывным в пространственных координатах. Этим двум требованиям удовлетворяет радиоволновой метод электроразведки — радиолокационное подповерхностное зондирование [3].

Сущность его заключается в периодическом излучении в подповерхностную среду зондирующих электромагнитных сигналов, приеме сигналов, отраженных от неоднородностей подповерхностной среды, обработке этих сигналов и построении радиолокационного изображения (РЛИ). Неоднородностью будут любые изменения размера частиц грунта, его пористости, влажности, концентрации солей в поровой воде и температура электролита. Для получения двухмерного РЛИ в плоскости профиля необходимо в процессе периодического излучения и приема электромагнитных сигналов перемещать антенную систему радиолокационной станции (георадара) над поверхностью земли вдоль этого профиля. Независимо от алгоритма обработки принятых сигналов радиолокационные изображения подповерхностной среды представляют собой цветную (черно-белую) матрицу размером m1 L x m2 Z (L — длина профиля, Z — глубина зондирования, m1, m2 — масштабные коэффициенты), размеры ячеек которой соответствуют размерам разрешаемых георадаром объемов подповерхностной среды, а их цвет (или оттенок) — амплитудам сигналов, отраженных от соответствующих объемов.

Информативность РЛИ (адекватность изображения реальному инженерно-геологическому разрезу) зависит от методики проведения радиолокационных измерений и алгоритма обработки радиолокационных сигналов. Чем больше диапазон частот, в пределах которых выполнены измерения, чем больше вариаций поляризационных параметров зондирующего сигнала и чем больше размер площадки, в пределах которой выполняются измерения, тем более достоверной будет информация о сложении и физических свойствах среды. В общем случае полная информация о подповерхностной среде предполагает необходимость построения пяти РЛИ: по пористости, влажности, типу грунта, концентрации солей в поровой воде и ее температуре. Для обнаружения, картирования и определения типа подземных вод (грунтовых, межпластовых, подвешенных, спорадических) достаточно построения первых двух. В 2000 г. одним из авторов (Александром Казариным) был разработан комплекс программ, позволивший строить РЛИ грунтов отдельно по плотности и влажности.

Использование этих программ при георадарном обследовании более 50 объектов, включая шлюзовые камеры Августовского канала, реконструируемую площадь Независимости в Минске, Национальную библиотеку, Дворец водного спорта, взлетно-посадочную полосу Национального аэропорта “Минск”, Несвижский замок, Коложскую церковь в Гродно, здание Минского епархиального управления и территорию Свято- Благовещенского монастыря, доказало их работоспособность и эффективность. Примерами необходимости проведения мониторинга геологической среды могут служить результаты георадарных измерений для двух последних упомянутых объектов.

Здание Минского епархиального управления (рис. 1) построено в 1984 г. по проекту института “Минскпроект”. Инженерно-геологические изыскания выполнены в 1980 г. институтом “БелГИИЗ”. Обследование здания через 12 лет после начала эксплуатации показало наличие сквозных трещин в швах стыков оконных блоков и косых трещин в стенах подвального помещения. Повторное обследование, проведенное три года спустя, обнаружило дополнительное увлажнение стен подземных помещений гаража и появление воздушных полостей под полом гаражного помещения. С целью прекращения неравномерной осадки фундамента здания Епархиального управления НПП “Фундамент” в 1999 г. выполняет работы по упрочнению грунтов основания и устройству дренажных скважин. Но уже в 2001 г. руководство Епархиального управления сообщает о непрекращающемся подтоплении гаражного помещения, интенсивном развитии трещин в стенах здания дьяконии и образовании полости глубиной до 2,5 м на стоянке автотранспорта (рис. 2– 4).

Специалистами БНТУ было установлено, что все перечисленные негативные процессы вызваны постоянным подтоплением территории, примыкающей к зданию Епархиального управления, которое происходит вопреки результатам изысканий 1980 г., обнаружившим подземные воды повсеместно только на глубине 16–18 м.

С целью выяснения причин подтопления на территории, прилегающей к зданию, в мае-июле 2001 г. авторами выполнено радиолокационное подповерхностное зондирование с использованием георадара “Зонд-10” на двух частотах (75 и 150 МГц) и для трех значений поляризационных параметров зондирующего сигнала. Общая протяженность георадарных профилей составила более 1000 м. Типичные РЛИ грунтов, залегающих на территории вблизи здания, по относительной плотности и относительной влажности показаны на рис. 5 и 6. Длина профиля, в плоскости которого построено РЛИ, равнялась 20 м, а глубина зондирования — 10 м. На РЛИ по относительной плотности черные и коричневые цвета свидетельствуют о наличии в подповерхностной среде плотных (возможно, глинистых) грунтов, синий и красный цвета — о наличии грунтов средней плотности, а зеленый и желтый — о грунтах малоплотных (рыхлых и очень рыхлых). На РЛИ по относительной влажности эти же цвета означают залегание грунтов водонасыщенных, влажных и маловлажных.

Анализ РЛИ на рис. 5 показывает, что в плоскости профиля на глубине 3 и 5 м залегает слой плотных глинистых грунтов, между которыми расположен слой песчаных малоплотных (рыхлых) грунтов. Между дневной поверхностью и первым от поверхности слоем глинистого грунта расположены два колодца, соединенные между собой лотком. Визуальное обследование 2,5-метрового провала грунта на площадке для автотранспорта показало, что им оказался один из колодцев, наблюдаемый на РЛИ справа.

Анализ РЛИ на рис. 6 указывает на наличие водонасыщенного песчаного грунта, залегающего между глинистыми слоями, и влажного грунта в лотке (или влажных стен лотка). Результат интерпретации РЛИ был следующим: мы наблюдаем подземную воду в виде межпластового фильтрационного потока на глубине около 4,0–4,5 м и классический вертикальный дренаж для водопонижения этого потока в виде системы двух самоизливающихся колодцев и самотечного водоотвода по трубчатому коллектору.

Анализ РЛИ грунтов, залегающих в плоскости 19 профилей, позволил выявить еще несколько пар погребенных колодцев такой же дренажной системы. Были обнаружены водонасыщенные грунты на глубине около 6–7 м и, в подтверждение изысканиям 1980 г., межпластовые подземные воды на глубине 16–18 м. Глубина зондирования в последнем случае составила 20 м. На основании анализа всех полученных изображений составлены планы залегания межпластовых подземных вод для глубин 4–5, 6–8, 16–18 м. Бурение контрольной скважины по центру правого колодца дренажной системы подтвердило наличие на глубине 4,7–5 м водонасыщеного песчаного грунта. Из рассмотрения плана видно, что начало фильтрационного потока располагается вблизи подпорной стенки, отделяющей гаражные помещения от стоянки автотранспорта. По мере удаления от подпорной стенки поток делится на два рукава: один проходит под площадкой для стоянки машин (пересекая дренажную систему) и уходит под фундамент здания дьяконии; второй — частично пересекает фундамент здания управления и уходит под фундамент здания шахматного клуба.

Результаты радиолокационного зондирования грунтов и анализ документов, относящихся к строительству здания Епархиального управления, позволили ретроспективно объяснить причину его подтопления через 12 лет после начала строительства. Картина получилась приблизительно следующей: после сноса жилых домов и хозяйственных помещений в районе застройки колодцы функционирующей дренажной системы еще довоенной постройки были благополучно засыпаны строительным мусором и закатаны под асфальт. В процессе выполнения инженерно-геологических изысканий одна из скважин, пробуренная в углу пятна застройки, прошла в непосредственной близости к водоносному слою с межппластовым фильтрационным потоком на глубине 4–5 м, но не вскрыла его. Заключение об отсутствии подземных вод в пределах пятна застройки на глубине 16–18 м проектной организацией было воспринято, как отсутствие подземных вод на всей прилегающей территории.

Следствием такой логики стал отрыв котлована вблизи пятна застройки на глубину около 6 м, возведение подпорных стенок и строительство гаражного помещения. Это привело к нарушению естественного гидрогеологического режима. Провалы грунта в полу гаражного помещения и увлажнение стен явились следствием самовосстановления межпластового потока, что привело через 12 лет к функционированию дренажной системы и вымыву из одного из колодцев насыпного грунта (строительного мусора). Когда над пустым колодцем оказалось колесо двухтонной автомашины, асфальт был продавлен.

Свято-Благовещенский мужской монастырь расположен в деревне Малые Ляды Смолевичского района Минской области. На его территории находятся здание церкви (каменная постройка 1794 г.) и здание монастырского корпуса (рис. 7). Вблизи монастырского корпуса имеется колодец глубиной около 7–8 м. По свидетельству обитателей монастыря, вода в нем малопригодна для питья и отличается повышенным содержанием окислов железа. В то же время, по устным сообщениям старожилов деревни, еще в 40-е гг. прошлого века вблизи церкви существовал другой колодец с хорошей чистой водой, но в 60?х гг. его разрушили и засыпали.

Для обнаружения, картирования и определения типа подземных вод на территории монастыря в феврале 2005 г. авторами проведены георадарные измерения на двух частотах для двух значений поляризационных компонент зондирующего сигнала. Анализ радиолокационных изображений в плоскости 12 профилей по относительной плотности и относительной влажности позволил составить общую картину сложения грунтов. От дневной поверхности до глубины 7,5–8 м на территории монастыря залегают чередующиеся между собой прослои песчаных и супесчаных грунтов (рис. 8, 9). На глубине около 3,0 м — слой глинистого грунта мощностью 0,3–0,5 м, плотность которого и водопроницаемость меняются в значительных пределах. На глубине 7–7,5 м залегает первый от поверхности слой водоупорного глинистого грунта мощностью около 0,5 м, а на глубине 9–9,5 м — второй водоупорный слой мощностью более 0,5 м. Атмосферная вода, инфильтрующаяся с дневной поверхности над первым водоупором, образует грунтовые подземные воды. Между вторым и первым водоупорами водонасыщенные песчаные грунты образуют межпластовый фильтрационный поток, изолированный от дневной поверхности.

Анализ плана залегания грунтовых и межпластовых вод на территории монастыря показывает, что вода в действующем колодце была грунтовой, а привкус железа связан с железистыми песками, через 7-метровую толщу которых происходит инфильтрация атмосферной воды. Особый интерес в проведенных исследованиях представляет РЛИ в плоскости 25-метрового профиля, расположенного на приусадебном участке вблизи условной границы монастыря (рис. 10 и 11). Обращает на себя внимание наличие аномалий и в картине сложения грунтов, и в картине их водонасыщения. На РЛИ грунтов по плотности наблюдаются две вертикальные стенки и разуплотненное пространство между ними. Под вертикальными стенками на глубине около 7 м выделяется область очень рыхлых грунтов мощностью приблизительно 2 м. В этом же месте межпластовый поток (с нормальной глубиной залегания 9 м) образует куполообразное пространство с вершиной на глубине 8 м.

Совокупность наблюдаемых аномалий позволила заключить, что на этом подворье находился колодец, в который поступала хорошая межпластовая вода с глубины 9 м, но он был разрушен и засыпан. Заслуживает внимания и тот факт, что отрыт этот колодец в таком месте, где грунтовые воды отсутствовали. Кто и как мог столетие (или больше) тому назад точно определить место его расположения, остается тайной. Такая же тайна заключается в определении мест залегания фильтрационных потоков на территории Епархиального управления. Можно только догадываться, что делали это специалисты высшего класса, ибо по результатам своих работ в поисках подземных вод они не уступают специалистам-геофизикам, использующим современные технологии и совершенную радиолокационную аппаратуру.

Литература

1. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). М.: Стройиздат, 1986.

2. Абрамов С.К., Дегтярев Б.М., Дзекцер Е.С., Донской Г.В., Муфтахов А.Ж. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве. М.: Стройиздат, 1978.

3. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М.: Недра, 1986.



comments powered by HyperComments
Читайте также
27.02.2004 / просмотров: 5 561
За последние несколько лет вечерний Минск волшебно преобразился, стал светлым, праздничным, нескучным. Проделана большая работа по подсветке города,...
01.03.2004 / просмотров: 5 661
Современный город. Его жизненное пространство перенасыщено знаками и значениями, связанными воедино, отсылающими друг к другу и одновременно ни к...
20.04.2005 / просмотров: 7 452
Несмотря на острую потребность предприятий строительной отрасли в обновлении производственных фондов, лизинг строительных машин и механизмов в...