При реконструкции строительных комплексов необходим новый подход к оценке инженерно-геологических условий местности. Недопустимы значительные перемещения земляных масс, вырубка лесов, осушение болот (аккумуляторов влаги на планете), использование под застройку сельхозугодий, уничтожение памятников природы, уникальных архитектурных комплексов. Условием сохранения природной среды является неприкосновенность 1/3 территорий.

Задача проектировщиков, изыскателей, строителей и эксплуатационников – это создание единых природно-технических геосистем ПТГС [1]. Инженерное сооружение ИС находится в тесном взаимодействии с природной геологической средой ГС. Изучение геологической обстановки местности до начала реконструкции или нового строительства должно дать сведения по прогнозу изменений, которые произойдут в процессе строительных работ и при эксплуатации объектов.

Устойчивость и изменчивость инженерных сооружений зависят от природных факторов, более устойчивых, и техногенных, более изменчивых, к которым относятся функциональная значимость, прочность, ценность сооружения и время его службы [2, 3, 4, 5]. В процессе развития ПТГС предлагается выделить четыре стадии:

1. Изменения обеих групп факторов в процессе строительных работ, последовательные и нарастающие;

2. Условно стабильное состояние – после окончания строительства;

3. Относительная стабилизация при длительных незначительных изменениях ГС в условиях стационарного режима работы сооружения (как свидетельствует опыт – продолжительность нормальной службы инженерных сооружений составляет от 10 до 20 лет, в зависимости от конкретной обстановки);

4. Изменения обеих компонент ПТГС в результате природных или техногенных катастроф при развитии опасных инженерно-геологических процессов и деформаций сооружений в период реконструкции или капитального ремонта.

Самым распространенным опасным инженерно-геологическим процессом на застроенных территориях является техногенное подтопление, которое связано с нарушением стока поверхностных и подземных вод, изменением температурного и влажностного режима грунтов в результате застройки [6, 7, 8]. Процесс сказывается через один год на площадках промышленных объектов, через 2-3 года в жилых микрорайонах, когда подъем уровней грунтовых вод ежегодно достигает 0,5 – 1,0 метра. Развитие процесса связано с отсутствием испарения на заасфальтированных участках, конденсацией паров воды под фундаментами зданий, отсутствием растительности, с просачиванием атмосферных осадков через строительные котлованы, траншеи, плохо заделанные пазухи, с утечками из коммуникаций.

Переувлажнение грунтов в условиях сплошной застройки ведет к развитию морозного пучения (на ленточных озерно-ледниковых глинах и склоновых делювиальных суглинках до 80% деформаций зданий для Московского региона), увеличение сжимаемости (для аллювиальных грунтов до 40% деформаций повсеместно), просадочно-набухающие явления (для пылевато-глинистых грунтов, лёссов до 90 % деформаций), разжижение глинистых грунтов при сотрясениях от работы механизмов и движения транспорта.

В результате увеличения влажности глинистых грунтов под фундаментами зданий полностью изменяются характерные влажностные показатели физических характеристик. При увеличении значений показателя текучести I_L более 0,6 резко уменьшается сопротивление по боковой поверхности свай и снижается их несущая способность, что необходимо учитывать при расчетах для реконструкции. Для уточнения определения показателя текучести в современных условиях желательно отказаться от классических методов определения пределов пластичности грунтов методом раскатывания, который является субъективным показателем, а использовать электрометоды или полевые испытания свай в массивах грунтов [9, 10].

Действующие в России строительные нормы рассматривают лишь эффект однократного нагружения или разгрузки грунтов основания, другого технологического воздействия. Однако любое здание испытывает многократное влияние от надстроек, пристроев, прокладки инженерных коммуникаций, освоения подземного пространства. В условиях тесной городской застройки происходит увеличение динамической нагрузки на геологическую среду, загрязнение грунтов и подземных вод в результате увеличения количества транспорта. Необходима разработка специальных норм для реконструируемых объектов.

В сложных неоднородных инженерно-геологических условиях населенных пунктов реконструкция, безаварийное строительство возможны только при условии геотехнического сопровождения на всех стадиях строительного процесса: в планировании, при инженерных изысканиях, обследовании и проектировании объектов, в процессе строительства и при послестроительном мониторинге. Такое требование является общепринятым в международной геотехнической практике и отражено в единых европейских нормах EUROCODE-7 «Geotechnics».

Город Пенза расположен на левом крутом берегу реки Суры, у ее излучины, где река меняет направление с восточного на северное. Коренные берега сложены породами мелового и палеогенового возраста [4, 5, 6]. Для города характерен пересеченый рельеф, абс. отм. поверхности изменяются от 260 м (Западная Поляна) до 137 м-урез воды в р.Сура на выходе из города.

Самый высокий район в пределах города – останец высокого плато Западная Поляна, сложенный прочными кремнистыми породами нижнего палеогена ք₁sz: черные, темно-серые кремнистые опоки [7, 8], песчаники сызранского яруса, залегающими на плотных глинах и суглинках верхнего мела, маастрихский ярус К₂mstr [9, 10, 11]. Поскольку территория находилась преимущественно в континентальном режиме, все коренные морские породы подверглись глубокому выветриванию, растрескиванию, обохриванию, слабо или хорошо водопроницаемые.

В рамках учебно-ознакомительной геологической практики за период с 2000 по 2016 г.г. нами проводились инженерно-геологические наблюдения в долине ручья Кашаевки, вдоль северо-западной и северной оконечности плато. Верховья ручья Кашаевки располагаются в 70 м к северу от остановки «Диспетчерская» по ул. Мира, в 200 м восточнее ул. Окружной. Рассматриваемая зона протягивается вдоль крутого правого борта долины ручья, абс. отм. поверхности бровки составляют от 250 м на западе до 240 м на востоке, а дно долины соответственно понижается на восток от 240 до 210 м. Долина ручья асимметричного поперечного профиля, правый борт более крутой, местами выделяются надпойменные террасы, образованные на прочных кремнистых коренных породах нижнего палеогена или песчаниках верхнего мела. В верховьях ширина долины по верху от 15 м, по дну от трех до пяти метров, в среднем течении ширина дна до 50-70, местами, под площадкой гостиницы «Ласточка», до 100 м, а в верхней части до 500 м.

Коренной правый склон сложен песками с прослоями трещиноватых кремнистых опок и тонкоплитчатых песчаников нижнего палеогена, перекрытыми делювиальными пылеватыми супесями и суглинками с дресвой этих пород, мощностью от 0,2 у бровки до трех-четырех м в нижней части склона. Наклоны поверхности склона до 30-35^о в верхней части и до 15-20⁰ у подножия, частично одернованы и закреплены корнями древесной растительности. В настоящее время, поверхность склонов бугристая, осложнена мелкими, два-три метра по ширине циркообразными оползнями (фото. 1), осовами, со смещениями по вертикали до одного метра глубины для почвенно-растительного слоя и до двух метров – для выветрелых, насыщенных водой делювиальных образований. Придолинная часть плато представляет собой в настоящее время густо заросшую полосу, частично заасфальтированную, пересеченную ложбинами естественного стока и трубами с бытовыми и поверхностными стоками.

Фото. 1. Циркообразные мелкие оползни и поваленные деревья

В начале 70-х годов прошлого века, при создании асфальтированной дороги по ул. Мира, верховья ручья (балка) были засыпаны насыпным грунтом и засажены тополями. В конце 80-х г.г. на расстоянии 50 м от шоссе насыпь была пригружена при установке ряда гаражей с глубокими погребами, что послужило приостановке развития эрозионных процессов. Русло ручья ниже гаражей было перекрыто бетонным лотком, по бокам высотою 0,5-0,7 м, на протяжении около 50 м для предотвращения размыва дна ручья.

Склоны долины до жилой застройки Ново-Западной Поляны находились в предельном равновесии, выглядели относительно устойчивыми: ровные, одернованы, закреплены корневой системой берез, сосен, кленов. В середине 80-х у бровки плато был возведении девятиэтажный дом, всего в 5 м от края обрыва, произошла пригрузка грунтов основания и перекрытие выходов подземных вод, наблюдавшихся местными жителями по склонам данного участка долины (опрос старожилов, «метод Делфи»).

Начиная с 2009 года и по настоящее время, верховья имеют симметричный облик, по дну вреза видны остатки разрушенного бетонного лотка (фото. 2), по которому стекали атмосферные осадки, и масса бытового мусора, поваленных деревьев. Склон правого берега долины на расстоянии 200 м от гаражей террасирован, выделяются одна или две горизонтальных поверхности, по которым была проложена «Тропа здоровья» 1981-82 г.г. Примерная ширина террас у слияния двух отвершков в верховьях ручья Кашаевки составляет 1,5 м, относительная высота над урезом воды в ручье 4-5 м, а ниже по течению ширина достигает трех метров и, начиная с абс. отм. 235 м, поверхность осложнена блюдцеобразными понижениями с переувлажненным грунтом, или мочажинами — это наблюдается просачивание грунтовых вод палеогенового горизонта.

Фото. 2. Остатки бетонного лотка, свалка строительного мусора и бытовых отходов (днище ручья Кашаевки).

В 2010 г. (засуха) и в 2011 г. выходы подземных вод не наблюдались. Склоны террас отличаются большой крутизной, 15°-35^о, благодаря чему на слабо задернованных участках происходят многочисленные смещения приповерхностного слоя увлажненного грунта и наклоны, падение деревьев (“пьяный лес”), оголенные корни вывороченных деревьев, мелкие поверхностные оползни – оплывины, корни деревьев в результате оползания приповерхностных переувлажненых грунтов часто обнажены (фото. 3, 4, 5). У бровки долины встречаются деревья с изогнутой комлевой частью ствола – «саблевидные» (фото. 6), возраст их 15-20 лет, следовательно, все время после освоения Ново-Западной Поляны строительством продолжались оползневые подвижки. Склоны осложнены многочисленными промоинами и представляют собой сильно эродированную поверхность, на которой прослеживаются прерывистые террасовидные участки и бугры, сменяющиеся западинами. Весь склон покрыт низкой кустарниковой растительностью и деревьями. В настоящее время оползневые подвижки идут в результате абляционных процессов.

Фото. 3.Сползание вниз по склону молодых деревьев («пьяный лес») по смоченной поверхности коренных пород вместе с делювием.

Фото. 4. Современное состояние склона в верховьях ручья Кашаевки:

смещения покровных грунтов, поваленные деревья, ветки.

Фото. 5. Осыпание песчаных грунтов ք₁ в старой траншее на склоне долины

Фото. 6. Саблевидные деревья – искривление стволов деревьев во время роста при длительных подвижках на склоне, продолжение смещений на 2010 год.

В среднем течении ручья Кашаевки, под гостиницей «Ласточка», у подножия склона наблюдаются выходы подземных вод, абсолютная отметка 222 метра. Водовмещающими служат верхнемеловые пески и трещиноватые глауконитовые песчаники. Повсеместно на рассматриваемой территории в основании склона по правому борту, наблюдаются мочажины, просачивания грунтовых вод, что провоцирует в полосе тыловых швов террас развитие болотной растительности (хвощи, папоротники, рогоз и т.п.). Доминирующими видами травянистых растений на сильно заболоченных понижениях террас являются хвощ болотный (Equisetum palustre), камыш озерный (Scirpus lacustris). При достаточном дебите подземных вод — проявления выходов на поверхность в виде мочажин и родников наблюдаются на протяжении примерно 300 м, поверхносные потоки через каждые 15-20 м, до 6-7 выходов в разные годы.

Первоначально верхнемеловые воды были каптированы в начале 70-х г.г., вновь оборудован родник в 2000 г.: две стальные трубы диаметром 12 см, старая — 10 см (фото. 7). Дебит родника – 0,1 л/с. Вода прозрачная на 30 см, без запаха, мягкая, сладковатая на вкус, рН 6,5, температура 10^о С. Воды образуют естественное озеро, в настоящее время заросшее ряской (фото. 8). Зарастанию озера способствовало строительство земляной дамбы и создание искусственного пруда в средней части долины у гостиницы «Ласточка» (фото.9), 1985-1987 г.г., особенно при заполнении долины ручья ниже дамбы делювиальными суглинками, глинами и суглинками мелового возраста, вывезенными из котлованов и при подрезке склонов левобережья долины в нижнем течении ручья — при строительстве усадьбы «Самко» и частных домов по ул. Зеленый Овраг. Началось заиливание дна пруда (перекрыли дренажную трубу), а затем и зарастание природного озера у родника, а к 2011 г. самого пруда.

Фото. 7. Каптированный источник, водовмещающие породы – трещиноватые глауконитовые песчаники верхнего мела, ярус маастрих. Водоупором служат плотные черные глины этого же яруса.

    Фото. 8. Естественный водоем, озеро у подножия склона, а.о.222 м

    Фото. 9. Земляная дамба и искусственный пруд в средней части долины под гостиницей «Ласточка»)

Пруд создан на участке расширении дна долины до восьми-десяти метров, левый берег высотой четыре-пять метров сложен верхнемеловыми глауконитовыми песчаниками – останец. Создание пруда обосновано следующими условиями: широкая пойма ручья, естественные выходы подземных вод, водонепроницаемое ложе долины из коренных черных глин верхнего мела К₂. Глубина пруда в год создания была от одного до трех метров, вдоль русла. По правому берегу был отсыпан песчаный пляж. Земляная дамба проходит (фото.9) поперек долины с северо-запада на юго-восток. Первоначально высота над урезом воды была один метр, в настоящее время – всего 60 см. У правого берега расположен железобетонный регулирующий колодец, труба, отводящая излишнюю воду, выходит ниже дамбы в русло ручья Кашаевки.

У бровки склона долины ручья Кашаевки, в верховьях и днищах оврагов последние десятилетия наблюдаются многочисленные свалки мусора и бытовых отходов (фото. 2, 3). Состояние пруда в настоящее время плачевно – акватория фактически превращена в свалку, содержащую самые различные предметы: от банальных бутылок из-под пива, застрявших в гуще болотной травы в самых различных положениях, до кузова автомобиля и строительного мусора с арматурой. Это привело к загрязнению водоема, уменьшению скорости течения воды, обмелению, заиливанию дна и зарастанию растительностью, а в перспективе – к полному исчезновению.

Анализ материалов ранее проведенных геолого-гидрогеологических [12, 13] исследований (ПензТИСИЗ) и обследование данной территории [14, 15], прилегающей к роднику, позволили выявить процессы, характер и генезис которых имеет природно-техногенные причины. К этим процессам относятся: заболачивание, подтопление, овражная и речная эрозия, оползни, оплывины, осовы.

Процессы гравитационные и эрозионные на склонах долины интенсифицируются за счет техногенного воздействия: беспорядочного сброса сточных вод, возведения многоэтажных зданий на расстоянии от пяти до 15 м от бровки склона [16, 17, 18]. Например, около гостиницы «Ласточка» на обнаженном уступе склона долины оврага расположена труба, по которой постоянно стекают бытовые стоки непосредственно на дно долины (фото. 10, 11). Это в значительной мере усиливает, а возможно и является в данном случае первопричиной эрозии. Для нейтрализации процесса рекомендуется ликвидировать все несанкционированные объекты сброса загрязненных вод и спроектировать систему бетонных лотков и дренажных колодцев для перехвата поверхностного и подземного стока. В пределах ровного бессточного плато Западная Поляна должна быть организована сеть ливневой канализации, т.к. в дождливый периоды и весеннего таяния на дорогах микрорайона образуются большие и глубокие лужи, когда вода заливает радиаторы машин.

Фото. 10. Несанкционированный сброс загрязненных вод

и его последствия (ложбина бытовых стоков)

Фото. 11. Сброс поверхностных вод в верхней части склона долины руч. Кашаевки, провоцирующий активизацию эрозии. Образование (2011 г.) промоины вниз на склоне у гостиницы «Ласточка»

Следует отметить, что вся рассматриваемая территория в целом находится в неудовлетворительном экологическом состоянии: всюду заметны следы кострищ и обязательного атрибута кострищ – несанкционированных свалок бытового мусора и хлама. Кромка леса у бровки склона долины превращена в настоящую свалку бытового мусора.

Таким образом, современное состояние долины ручья Кашаевки в пределах Западной Поляны не отвечает даже самым элементарным санитарно-гигиеническим и экологическим нормам. В результате анализа маршрутных наблюдений можно сделать следующие предложения и рекомендации:

1. На территории выделено два водоносных горизонта. Современный аллювиальный водоносный горизонт распространен в пойменных отложениях ручья Кашаевки. Разгрузка второго и третьего горизонтов грунтовых вод палеогена (верховья ручья, а.о. 235 м) и коренных пород К₂ (а.о. 225-220 м) осуществляется в средней и нижней частях юго-восточного склона долины, что создает возможность для сооружения каптированных родников.

2. На исследуемой территории развиты природно-техногенные процессы: заболачивание, переувлажнение грунтов — мочажины, оплывины, осыпи, оползни, овражная эрозия.

3. В качестве природоохранных мероприятий, направленных на нейтрализацию негативных природно-техногенных процессов, рекомендуется следующее:

• сооружение лотков, направляющих отвод поверхностных вод;
  
• устройство на плато ливневой системы;
  
• закрепление верхней части склона долины ручья Кашаевки;
  
• расположение строений в 10-15 м от бровки склона, во избежание пригрузки, создание напряженного состояния грунтов;
  
• создание подпорных стенок на участках каптирования родников;
  
• ликвидация несанкционированного открытого сброса загрязненных вод бытовых стоков по склонам долины и в пределах поймы;
  
• расчистка русла ручья для обеспечения нормального стока.
  

Для рационального рекреационного использования высокого потенциала рассматриваемой территории рекомендуются следующие первоочередные мероприятия:

• провести санитарную чистку леса, удалить с территории и акватории пруда поваленные деревья, бытовой мусор и хлам;
  
• организовать пешеходные дорожки по всей территории участка и построить удобные пешеходные спуски к долине ручья Кашаевки;
  
• расчистить акваторию пруда от болотной растительности, очистить дно от бытового и строительного мусора, обеспечить режим минимальной проточности воды;
  
• организовать детские игровые площадки с необходимым оборудованием;
  
• максимально сохранить природные экосистемы.