В. В. Шепелев, Ф. Е. Попенко

Об организации инженерной защиты территории
г. Якутска от подтопления и обводнения

Проблему подтопления и обводнения территории г. Якутска нельзя назвать новой, поскольку возникла она еще в 60-х годах прошлого столетия, т.е. после начала массового строительства и ввода в эксплуатацию каменных благоустроенных зданий. Возрастание в связи с этим общего водопотребления на хозяйственно-бытовые нужды и увеличение протяженности линий водоснабжения, теплоснабжения и канализации привело к тому, что ежегодно увеличивался объем аварийных утечек из водонесущих коммуникаций. В результате неуклонно повышались общие запасы надмерзлотных вод, их уровни и минерализация. Интенсивные темпы строительства многоэтажных жилых и производственных зданий вызвали необходимость освоения свободных площадей, которыми на территории города являлись старичные и озерные понижения, представляющие собой систему естественного дренирования надмерзлотных и поверхностных вод. Засыпка этих понижений и строительство на них каменных зданий по первому принципу, по существу, исключили естественное дренирование городской территории.

Массовое строительство каменных зданий шло одновременно с реконструкцией и асфальтированием городских дорог. Дорожные насыпи, в климатических и мерзлотных условиях г. Якутска способствующие образованию криогенных барражей, полностью перекрыли сток надмерзлотных вод с городских кварталов. Распространение этих вод приобрело ячеистый характер, напоминая систему рисовых полей. Кроме того, асфальтирование дорог, площадей и площадок около домов, бетонирование поверхности земли под зданиями существенно уменьшили величину испарения влаги, что вызвало значительное сокращение расходных статей водного баланса городской территории [1].

Подтопление и обводнение территории г. Якутска способствуют активизации таких опасных криогенных процессов, как термосуффозия, термоэрозия, морозное пучение, термокарст и др. Эти процессы отрицательно влияют на устойчивость фундаментов зданий и сооружений, дорожных покрытий, подземных трубопроводов и других инженерных объектов (рис.1).

Процессы термических просадок и морозного пучения грунтов наиболее интенсивно развиваются на участках распространения минерализованных надмерзлотных вод. Высокая минерализация этих вод способствует тому, что они, имея отрицательную температуру в зимний период, не промерзают (надмерзлотные криопэги). Диффузионное воздействие таких вод на подстилающие многолетне-мерзлые породы вызывает разрушение последних, что способствует площадному развитию термопросадочных явлений, повышению заболоченности городской территории и образованию термокарстовых озер. Так, в северо-западной части города в последние два десятилетия сформировалось крупное озеро, названное «Новое». Дно этого озера ежегодно проседает на 2-4 см, а его береговая линия неуклонно отступает со скоростью 1,5-2,0 метра в год за счет термоэрозионных процессов [2,3].

Широкое распространение минерализованных надмерзлотных вод является одной из основных причин неудач в попытке озеленения территории города. Как только корневая система саженцев достигает уровня этих вод, растения погибают. Выживают они лишь на дренированных участках городской территории (по берегам городских озер и проток, вдоль улиц, под которыми проложены коллекторы, на возвышенных местах второй надпойменной террасы р. Лены).

Несмотря на то, что проблема подтопления и обводнения территории г. Якутска возникла более 40 лет назад, она, по сути, кардинально не решается в масштабах города. Из года в год затягивается строительство ливневой канализации. Возвещенные на некоторых городских улицах без учета специфики мерзлотно-гидрогеологических и геоморфологических условий придорожные открытые водоотводные железобетонные лотки не выполняют, как правило, своей основной функции из-за незначительных уклонов и быстро разрушаются, превращаясь в сборники мусора и грязи (рис. 2). Отсутствие организованного сбора и отвода осадков с крыш зданий приводит к интенсивному инфильтрационному питанию надмерзлотных вод и обводнению территорий внутри кварталов, а следовательно, к деформациям зданий, сооружений, дорожного покрытия и др.

Единственным широко применяемым «методом» борьбы с подтоплением и обводнением городской территории является подсыпка привозного грунта. Так, в каждом из генпланов города приводилась стандартная запись: «При застройке территорий необходимо производить сплошную или выборочную подсыпку». Следуя подобным рекомендациям, строители продолжают подсыпать на стройплощадки привозной грунт без всякого учета общей планировки городской территории, выдерживания отметок и уклонов для направленного стока поверхностных и надмерзлотных вод. В результате этого старые дома, особенно в частном секторе города, оказались в искусственно созданных понижениях, что обусловило их подтопление надмерзлотными водами. Интенсивная подсыпка привозного грунта осуществляется также в процессе реконструкции и благоустройства городских улиц. В разрезе дорожных насыпей некоторых улиц, например, насчитывается несколько слоев асфальта, отделенных друг от друга толщами привозного грунта. Это привело к тому, что отметки асфальтированных покрытий на городских дорогах и крыш некоторых одноэтажных зданий сегодня почти одинаковы.

Проблема подтопления и обводнения территории г. Якутска не только не разрешается, но и не изучена в достаточной степени. Мало данных, например, по особенностям мерзлотно-гидрогеологической обстановки территории города, режиму и балансу надмерзлотных вод, фильтрационным свойствам пород зоны аэрации и другим вопросам [4]. Предпринятые в 1993 г. Институтом мерзлотоведения СО РАН комплексные мониторинговые исследования были вскоре прекращены, поскольку администрация города отказалась финансировать эти работы. В 1995 г. инициативной группой в составе А.П. Таяхова (институт «Саха-проект»), Ф.Е. Попенко (НВЦ «Геотехнология») и В.В. Шепелева (Институт мерзлотоведения СО РАН) на общественных началах была разработана концепция защиты территории г. Якутска от подтопления [5]. Несмотря на то, что эта концепция была в целом одобрена большинством специалистов, администрация города не приняла ее к реализации.

Все сказанное однозначно свидетельствует о том, что сегодня необходимо принять срочные и радикальные меры по осушению городской территории, поскольку иначе эта проблема из разряда кризисных может в самое ближайшее время перейти в катастрофическую для столицы республики.

Основные трудности, которые существенно осложняют проведение эффективной борьбы с подтоплением и обводнением территории г. Якутска, следующие.

1. Невозможность использования типовых конструкций дренажей и систем ливневой канализации из-за суровых климатических и сложных мерзлотно-гидрогеологических условий района г. Якутска, а также незначительных уклонов дневной поверхности.

2. Высокая степень зарегулированности надмерзлотного стока из-за дорожных насыпей, построенных по первому принципу зданий, подсыпок привозного грунта при планировочных работах на строительных площадках. Все это существенно осложняет нормальное функционирование ливневой канализации и дренажных систем.

3. Невозможность сброса дренажных вод и ливневых стоков в городские коллекторы из-за перегруженности последних постоянно возрастающим объемом хозяйственно-бытовых стоков.

4. Функционирование надмерзлотных вод в так называемом «культурном слое», представленном преимущественно привозным грунтом, перекрывающим различные свалки, помойки, выгребные ямы и даже древние кладбища. Различие в фильтрационных свойствах и водоотдаче грунтов «культурного слоя» чрезвычайно осложняет работу дренажных систем. Кроме того, высокая минерализация, агрессивность, токсичность и бактериальная загрязненность надмерзлотных вод не позволяют сбрасывать их в поверхностные городские водотоки и водоемы без предварительной очистки.

5. Перераспределение дополнительного инфильтрационного питания надмерзлотных вод, осуществляемого за счет аварийных утечек из водонесущих коммуникаций, с зимнего периода на весенне-летний. Зимой почти весь объем аварийных утечек воды аккумулируется в виде техногенных наледей. Таяние их в теплое время существенно увеличивает приходную часть водного баланса и степень подтопления городской территории. Так, по данным Института мерзлотоведения СО РАН, слой наледного стока на территории г. Якутска в среднем составляет 50 мм в год, достигая в отдельных кварталах 200 мм [6].

Перечисленные трудности свидетельствуют о чрезвычайной сложности борьбы с подтоплением и обводнением городской территории и необходимости комплексного геокриологического, гидрогеологического и инженерно-геологического подхода к разработке и обоснованию защитных мероприятий.

Для осушения территории г. Якутска мы рекомендуем совместить ливневую канализацию с дренажем надмерзлотных вод, учитывая тесную генетическую взаимосвязь поверхностного и надмерзлотного стоков [5].

В комплекс основных элементов системы осушения городской территории предлагаются следующие: магистральные коллекторы, главные (уличные) коллекторы и локальные дренажные системы.

Магистральные коллекторы необходимо строить в первую очередь, поскольку они предназначены прежде всего для отвода дренажных вод с городской территории. Прокладываться они должны по магистральным улицам в направлении общего естественного уклона дневной поверхности (с юга на север). Такими магистралями могут быть, например, улицы Чернышевского и Лермонтова, а местом их пересечения - ул. Кальвица, откуда стоки подаются в городской канал и по нему направляются на очистные сооружения в районе Даркыллаха.

Магистральные коллекторы должны быть закрытыми. Это необходимо для того, чтобы продлить период их функционирования в течение года, а также для обеспечения надежного сбора и отвода поверхностных и над-мерзлотных вод с городской территории. Закрытый коллектор можно закладывать на значительной глубине (2,5-3,5 м) и обеспечить тем самым самотечный приток и отвод стоков. Пространство над коллекторами засыпается хорошо фильтрующим грунтом (щебень, гравий). На этой отсыпке можно разместить зеленые насаждения.

Особенности предлагаемой конструкции магистральных коллекторов заключаются в следующем (рис. 3). Они выполняются из металлических или пластмассовых труб диаметром не менее 1000 мм. Верхняя их половина перфорируется (диаметр отверстий 5-10 мм, шаг 200-300 мм). Это необходимо для того, чтобы коллектор выполнял дренирующую функцию. Нижняя часть труб не перфорируется и предназначается для стока дренажных вод.

Для обеспечения свободного отвода дренажных вод по магистральному коллектору предлагается устраивать специальные распределительные емкости (рис. 4). Конструкция их позволяет создавать определенные уклоны для беспрепятственного стока воды по коллекторам.

Распределительные емкости можно использовать для откачки воды в период проливных дождей или во время интенсивного поступления талых снеговых вод. Кроме того, эти емкости можно использовать для подготовки всей дренажной системы к зиме. Для этого необходимо проводить откачку из них воды насосами в начале зимнего периода.

Расстояние между распределительными емкостями не должно превышать 600-700 м. На магистральных коллекторах протяженностью 3-4 км можно установить 5-6 таких емкостей.

Основное предназначение главных (уличных) коллекторов - сбор дождевых и надмерзлотных стоков и их отвод в магистральные коллекторы. Конструктивно они могут быть аналогичными магистральным коллекторам и отличаться от них лишь меньшими размерами дренажных труб (300-500 мм). Глубина их заложения - 1,5-2,5 м.

Уличные коллекторы можно снабдить греющим кабелем для предотвращения промерзания скопившейся в них воды в зимний период. Вдоль них также могут быть устроены распределительные емкости для создания необходимого уклона при движении дождевых и над-мерзлотных стоков.

Основное предназначение локальных дренажных систем - сбор дождевых и надмерзлотных вод с территорий кварталов и отдельных крупных зданий и отвод их в главные (уличные) коллекторы. Конструктивно они не отличаются от магистральных и уличных коллекторов и характеризуются лишь меньшими размерами дренажных труб (100-200 мм). Глубина их заложения - 0,7-1,5 м. Локальная дренажная система может оконтури-вать отдельные здания. В этом случае в данную систему отводятся не только стоки с крыш, но и возможные аварийные утечки из водонесущих коммуникаций.

Таким образом, предлагается создать на территории города единую взаимосвязанную трехуровневую систему сбора и отвода как дождевых, так и надмерзлотных вод. Реализация этой системы и грамотная ее эксплуатация позволят надежно защитить территорию г. Якутска от подтопления, обводнения и развития опасных криогенных процессов.

Литература

1. Шепелев В.В., Шац ММ. Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутска // Наука и образование. - 2000. - №3. - С. 68-71

2. Григорьев М.Н., Курчатова А.Н. и др. Контроль состояния геотехнической системы г. Якутска на основе мерзлотно-геоморфологической систематизации // Материалы научно-технической конференции «Якутск - столица северной республики». - Якутск, 1997.- С. 31-39.

3. Шепелев В. В. Гидрогеологические особенности района г. Якутска и основные проблемы борьбы с подтоплением территории // Материалы научно-практической конференции «Якутск - столица северной республики». - Якутск, 1997. - С. 51-56.

4. Шепелев В. В. Некоторые результаты изучения режима надмерзлотных вод на территории г. Якутска // Геология и полезные ископаемые Якутии. - Якутск: Изд-во Якутского госуниверситета, 1995. - С. 181-93.

5. Таяхов А.П., Попенко Ф.Е., Шепелев В.В. Концепция системы инженерной защиты территории г. Якутска от подтопления и развития опасных криогенных процессов. - Якутск, 1995. - 39 с.

6. Курчатова А.Н. О процессах наледеобразования на территории г. Якутска // Эколого-геохимические проблемы в районах криолитозоны. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 1996. - С. 90-96.