Природно-техногенні процеси в містах

Процеси, що відбуваються в товщах порід при функціонуванні міст, призводять до інтенсифікації небезпечних природних явищ і широкого розвитку так званих „природно-техногенних процесів”.

Найбільшу небезпеку для міських територій являють:

– наведена сейсмічність; – підтоплення;

– опускання територій; – карстово-суфозійні провали.

Суть наведеної сейсмічності полягає в тому, що антропогенне втручання в земну кору може призводити до перерозподілу або до утворення додаткової напруги усередині Землі та збільшувати частоту землетрусів, або сприяти розрядці вже накопиченої напруги, будучи „ спусковим гачком”підготовленої сейсмічної події. Найбільш характерними чинниками наведеної сейсмічності є крупні водосховища, закачування флюїдів – рідких або газоподібних легкорухливих компонентів магми, або циркулюючих в земних глибинах насичених газами розчинів, до складу яких входять фтор, хлор та вуглекислота, в глибокі горизонти земної кори.

Механізм дії кожного чинника на наведену сейсмічність є специфічним. Значної шкоди довкіллю можуть завдавати крупні водосховища, що створюються поблизу крупних міст, оскільки накопичення великої маси води призводить до зміни гідростатичного тиску в породах, до зниження сил тертя на контактах земних блоків, що спричинює сейсмічний зрив. Вірогідність прояву наведеної сейсмічності зростає зі збільшенням висоти дамби. У випадку будівництва дамби заввишки більше 10 м наведену сейсмічність викликали тільки 0, 63 % від загальної кількості зведених дамб, при висоті більше 90 м – 10 %, а більше 140 м ця величина досягала 21 %. Випадки прояву сильних наведених землетрусів відомі при зведенні Асуанської дамби в Єгипті, Койна в Індії, Каріба в Родезії, Лейк Мід у США.

Наведена сейсмічність, опускання територій і підвищення гідростатичного тиску в земній корі можуть бути викликані не тільки будівництвом крупних водних резервуарів, але і закачуванням флюїдів у глибокі горизонти земної кори. Потреба в цьому виникає під час складування забруднених промислових вод, створення підземних сховищ рідин і газів.

Техногенні чинники на багатьох територіях промислових і міських зон впливають на процеси опускання території. За своєю швидкістю і негативними наслідками вони значно перевершують тектонічні рухи. Однією з причин опускання урбанізованих територій може бути додаткове статичне і динамічне навантаження від будівель, споруд і устаткування.

Провали, опускання ґрунту і утворення тріщин у будівлях спричинює необхідність врахування комплексу чинників:

– термін існування будівлі; методи будівництва; використані будівельні матеріали; розміщення і стан підземних комунікацій; природні особливості даної території – русла річок, розробка карбонатних товщ при заснуванні міста, явища суфозії.

На площі земної поверхні, яку займають міста, різко змінюються гідрогеологічні умови. Забудова і асфальтування території міст скорочують величину інфільтрації атмосферних опадів. Витік з підземних комунікацій впливає на рівень ґрунтових вод, що призводить до підтоплення території і затоплення підвалів будівель. Над теплотрасами температура ґрунтів сягає 25–30 º С. Висока температура ґрунту і ґрунтових вод сприяє розвитку в них мікрофлори, що підвищує агресивність ґрунтових вод за відношенням до будівельних матеріалів і ґрунтів.

У середньому 20–25 % води втрачається з підземних комунікацій: водогонів, каналізації, теплових мереж, що також провокує підтоплення. За середньої щільності теплових мереж 3–4 км/км³ сумарний показник постійних витрат води з комунікацій становить 0, 5 л/с, практично стільки ж складає природне живлення підземних вод за рахунок фільтрації в ґрунти атмосферних опадів.

Процеси підтоплення територій відбиваються на підйомі рівня ґрунтових вод до поверхні землі. Як наслідок такого явища – зниження несучої здатності ґрунтів, забруднення ґрунтових вод, підсилення корозійних процесів у підземних конструкціях. На територіях, де підземні води забруднені нафтою і нафтопродуктами, підтоплення викликає підйом рідких і газоподібних вуглеводнів до поверхні землі, що створює вибухо- і пожежонебезпечну ситуацію.

Небезпечне явище – забір підземних вод. Наприклад, Токіо забезпечується водою не тільки з поверхневих джерел, але і зі системи свердловин підземних вод. За інтенсивної експлуатації водоносних горизонтів земна поверхня опускається. Цьому сприяє не тільки вилучення води, але й тяжкість будівель і споруд, з якою місто тисне на земну поверхню. Зміна гідрологічних умов викликала осідання Токіо в першій половині ХХ століття на 2 м, а в подальшому вже на 2 м осідання потребувалося 20 років. Іншим прикладом є Мехіко. Опускання землі тут почалося наприкінці ХХ сторіччя у зв’язку з інтенсивним використанням підземних вод. Осідання поверхні землі на окремих ділянках міста в 1948–1952 рр. досягло 30 см/рік. До кінця 70-х років вся територія міста опустилася більш ніж на 4 м, а його північно-східна частина – на 9 м. Нині осідання ґрунту вдалося стабілізувати за рахунок скорочення об’ємів відкачування підземної води.

Інтенсивне відкачування підземних вод і порушення тим самим сталого гідродинамічного режиму відбувається на територіях, складених товщами розчинних порід: гіпсу, вапняку, крейди, мергелю. У таких породах широко розвинені процеси локального розчинення і утворення карстових порожнеч, що може викликати зниження їх стійкості і розвиток карстово-суфозійних процесів, у результать чого утворюються воронки природно-техногенного характеру. Ці процеси розвиваються настільки швидко, що стають небезпечними не тільки для будівель, розміщених на цих територіях, але й для людей. Провальні воронки завглибшки 1, 5–8, 0 м мають діаметр до 40 м.

Крім того, міська агломерація сприяє появі аномалій геофізичних полів:

– теплового – через втрати тепла в будівлях і спорудах;

– електромагнітного – через роботу теле-радіовипромінювачів;

– шумового – викликається промисловим виробництвом і транспортом.

У містах значно поширене фізичне забруднення, яке утворюється штучними фізичними полями: тепловими, електромагнітними, електричними, магнітними, статичними і динамічними.

Статичне поле – впливає на геологічне середовище. Його джерелом слугують усі споруди і штучні покриття, що справляють могутній тиск на ґрунти, змінюючи їх фізичні властивості, зокрема деформують.

Динамічне поле (вібрація) – виникає поблизу промислових підприємств, будівельних майданчиків. Проте до найбільш істотних його джерел належить транспорт. Динамічне поле проявляється у вигляді механічних коливань ґрунтової маси або повітря в діапазоні від одиниць до декількох сот герц (Гц). Транспорт створює вібрацію 10–200 Гц за рівнем коливань – 50–100 дБ, що відповідає швидкості зсуву ґрунтових часток від 15, 8 до 500 мкм/с. Промислові агрегати можуть генерувати коливання в діапазоні 100–200 Гц за рівнем коливань 80–100 дБ, що відповідає швидкості зсуву ґрунтових часток від 500 до 5000 мкм/с. У щільних глиняних ґрунтах і скельних породах динамічне поле поширюється на досить значну відстань від його джерела, проте руйнівна дія його незначна. У піщаних же ґрунтах, навпаки – вібрація передається на невелику відстань від джерела, але наслідки можуть бути значно істотнішими.

Теплове поле змінює природний температурний режим ґрунтів. Температура ґрунтів поблизу підземних газопроводів металургійного виробництва може підвищуватися до 160 º С. У містах температура ґрунту в середньому збільшується на 0, 1 º С за 10 років.

Рівень електричних полів – „блукаючих струмів” – коливається від 0, 2–0, 4 А/м² поверхні ґрунту до 1, 7 А/м² і вище. Основними джерелами електричних полів є електрифіковані залізниці, трамвай, метрополітен, підстанції і радіостанції. Електричні поля безпосередньо впливають на корозійну активність ґрунтів і призводять до скорочення терміну служби підземних комунікацій в 10 і більше разів. Нормативний термін служби підземних комунікацій становить 10 років за швидкості корозії не більше 0, 2 мм/рік.

Містобудування в умовах геологічного і геохімічного ризиків, низки інших природних процесів потребує розробки стратегії безпеки розвитку міст. Така стратегія засновується на містобудівному плануванні та системі попередження і прогнозування.

Елементами цієї стратегії мають бути:

– проведення інженерно-геологічного районування;

– превентивні заходи;

– моніторинг і прогнозування;

– ухвалення сучасних управлінських рішень.

Інженерно-геологічне районування території передбачає аналіз чинників: рельєфу, властивостей порід, гідрологічних умов, розвитку геодинамічних процесів. Територія підрозділяється на ділянки за ступенем їх придатності для господарського освоєння і стійкості до дії небезпечних природно-техногенних явищ, що є дуже важливим під час ухвалення будівельних рішень.

Превентивні заходи – це низка заходів, що виконуються до початку будівництва об’єктів: створення захисних споруд, інженерна підготовка території, куди входять роботи з будівництва дренажних і водовідвідних споруд, підпірних стінок, відсипання ґрунту і підвищення рівня поверхні, закріплення ґрунтів.

Аналіз природних умов і ресурсів за районного планування необхідний для виявлення зон поширення певних природних явищ і відмінність між цими зонами і ділянками території, що характеризуються різним ступенем розвитку певного природного чинника або явища.

Головний висновок аналізу природних умов – це визначення ступеня придатності території за певним природним чинником для здійснення основних видів господарської діяльності.

Зазвичай розглядаються такі природні умови: геоморфологічні; геологічні; гідрологічні; кліматичні; ґрунти; рослинний світ; тваринний світ.

Геоморфологічні умови оцінюються за морфологічними елементами рельєфу, його формами, абсолютними і відносними висотами, глибиною ерозійного розшарування, ухилами місцевості.

Геологічні умови характеризуються з погляду на будову, структуру і літологію геокомплексів, закономірності їх поширення і потужності. Особливе значення надається аналізу неотектонічної активності та сейсмічності території. З геологічними умовами пов’язані дослідження запасів мінерально-сировинних ресурсів, підземних вод. У сейсмонебезпечних районах важливого значення набувають аналіз сейсмічної обстановки і питання мікросейсморайонування.

Гідрогеологічні умови включають аналіз і характеристику водоносних горизонтів підземних вод, їх поширення, глибин залягання і об’єму водоносного шару, експлуатаційних запасів, хімічного складу і агресивності підземних вод.

Наведені явища і процеси спричинюють зміни у складі і властивостях ґрунтів, вимагають постійного контролю і можуть бути враховані для якісної і кількісної оцінок ґрунтів під час проектування будівель та споруд у містах.