ГРУНТОЭКОЛОГИЯ

УДМУРТИИ

Ижевск

2003

УДК 624.131

Ельцов Ю.А., Ельцов А.Ю Грунтоэкология Удмуртии.

Грунтовые условия Удмуртии впервые были обобщены Ю.А.Ельцовым в его труде «Грунты Удмуртии», 1981 год. В настоящем издании данные о грунтоэкологической обстановке расширены и дополнены новыми сведениями. Здесь строители и хозяйственники найдут сведения по рациональному использованию грунтовой среды как среды обитания и строительно-хозяйственной деятельности, с учетом региональных особенностей грунтов Удмуртии.

Рецензент:

к.т.н., профессор, декан строительного факультета ИжГТУ

Н.И. Невзоров.

Издание подготовлено к печати редакцией журнала «Строительный вестник в Удмуртии», 2003 г.

Отпечатано с готовых диапозитивов в МУП «Сарапульская типография», г Сарапул, ул. Раскольникова, 152. Тираж 300x44, заказ № 319-2003 г.

1.6. Геологическое строение верхней части разреза

Геологическое строение республики отличается однообразием, что обусловлено ее расположением на переходе Русской платформы в Предуральский прогиб Верхняя часть разреза здесь сложена осадками верхней перми (казанский и татарский ярусы)

Помимо пермских отложений, в западных и юго-западных районах встречаются участки с верхнетретичными осадками, в северных районах наблюдаются триасовые образования (см рис 3)

При инженерно-геологических (грунтоэкологических) изысканиях необходимо выделение пород коренных отложений верхнепермского возраста и покровных грунтов, в основном четвертичного возраста, между которыми есть существенные отличия, легко определяемые визуально Коренные отложения преимущественно прочные и относятся к скальным и полускальным (по строительной классификации) Покровные же грунты -нескальные, менее прочные Эти признаки доступны для классификационного подразделения и в полевых условиях, и на стройплощадке, понятны как изыскателям, так и строителям Коренные отложения.

Верхняя пермь (Р₂)

Основными коренными образованиями в верхней части разреза Удмуртии являются отложения казанского и татарского ярусов

Отложения казанского яруса (Р₂ kz) распространены в южных районах, где главную массу составляют изоглины, песчаники, реже мергели и очень редко прослои известняка небольшой толщины до 0,5 м

Отложения казанского яруса очень не выдержаны по простиранию и вкрест простирания Характерным для этих отложений является то, что в основании они имеют толщу песчаников до 15-20 м Затем ее сменяет песчано-глинистая толща красноцветных отложений, а над нею залегает глинисто-мергелистая свита красно-бурой окраски Общая толщина этих, в основном континентальных, осадков достигает 100-200 м

Последними исследованиями на территории Удмуртии выявлено преобладание относительно плавных эпейрогенических опусканий и поднятий, преимущественно меридионального или близкого к нему направления, происходивших в течение казанского века

На основании изучения мощностей и фаций казанского яруса рисуется относительно простая схема палеотектонического районирования, унаследовавшая опускания с амплитудами до 220 м и накопление континентальных красноцветных отложений Так, толщина казанских отложений в пределах Глазовской синеклизы изменяется с запада на восток, от Вятского вала до г Глазова, от 120 до 160 м и с севера на юг, от Кажима к Ижевску, примерно от 100 до 220 м

Татарский ярус (P₂t) на территории республики распространен исключительно широко и представлен с нижних до верхних горизонтов общей толщиной до 350 м

Если общее геологическое строение отличается единообразием, то разрез татарских отложений по фациальному составу весьма сложен и характеризуется частыми переходами от одной литологической разности к другой В целом отложения татарского яруса представлены переслаиванием красноцветных изоглин, алевритов с тонкими прослоями песчаников, реже мергелей и известняков

По исследованиям В.И Игнатьева, основную массу татарского яруса составляют озерные и аллювиальные отложения, и соотношение их между собой закономерно изменяется в пространстве и во времени Так, раннетатарский геологический период характеризуется неуклонными периодически усиливающимися или временно ослабевающими влияниями

и

Рис.З. Геологическая карта:

Q - четвертичные отложения;    P₂t - верхнепермские отложения;

N₂ - неогеновая система;    PJcz - отложения казанского яруса верхней перми.

Т_{ - триасовые отложения;

12

пресноводного озера В среднетатарский геологический период наблюдается трехкратная смена развития аллювиальных равнин и озерных водоемов, происходившая на фоне усиления или ослабления твердого сноса с Урала К концу татарского времени происходит неуклонное сужение и исчезновение озерных бассейнов

Таким же образом доказывается, что галечннковые и песчано-галечниковые отложения из магматических и метаморфических пород Урала, обнаруженные в разрезах татарского яруса и нижнего триаса, являются стрежневыми фациями палеорусел При этом отмечается, что врезка палеорусел в татарские отложения может достигать 20-40 м

По нашим данным, такая врезка местами совмещается с более ранними размывами рек праКамы (первичной Камы), достигая в Ижевском и Боткинском районах до 100 и более метров, что превосходит современную врезку гидрографической сети Эта врезка обусловлена не разными палеоруслами татарского яруса, а единой речной системой палеореки (древнейшей реки), которая заложила генеральные направления долин крупных рек республики Такое строение подтверждается геологическими поперечными разрезами по долинам рек Вятка, Сива, Позимь и Иж Но следует отметить, что данная схема требует более широкого изучения и проверки

При последующих исследованиях следует также обратить внимание на отмеченную нами закономерность уменьшения размеров обломочного материала при снижении от водоразделов до тальвегов современной гидрографической сети, от галечников до мелких песков Крупные галечники с косослоистыми прослоями среднезернистых песков, иногда обогащенных черными марганцевыми включениями, сохранились на водоразделах в виде песчано-галечниковых русловых отложений палеореки В этом плане проблематичным становится датировка деятельности палеореки и бассейна палеоКамы Возникновение палеореки и оставленные ею русловые террасовые отложения следует относить к третичному возрасту Это подтверждается наличием марганцевых отложений (по аналогии с условиями формирования марганцевых месторождений восточного Урала, датируемых началом третичного времени, в более поздних отложениях марганца не обнаруживается ни в Предуралье, ни в Зауралье) Такая датировка совпадает со временем формирования палеорусел Волги, Камы и Вятки Покровные отложения.

К покровным отложениям в Удмуртии следует относить нескальные грунты кайнозойской эры Это преимущественно песчано-глинистые грунты третичного и четвертичного возрастов Они резко отличаются по прочности от аналогичных коренных пород Третичные отложения (Тг)

Третичные отложения верхнего неогена имеют ограниченное распространение и отмечаются по долинам рек Кильмезь и Вала в пределах Селтинского, Сюмсинского, Вавожского, Малопургинского и других районов Эти отложения состоят из иловатых темного цвета глин с прослойками торфа, песков с конкрециями сферосидеритов и бурого железняка Общая толщина этих отложений достигает 40 и более метров По берегам речных долин они образуют многочисленные оплывины и оползни

В свете новых воззрений данные отложения можно отнести к донным и старичным осадкам нижней части бассейна рек палеоКамы

Изысканиями под гидроэлектростанции на реке Кама установлены основные контуры и направления дочетвертичных рек бассейна праКамы, заполненные третичными (акчагыл) песчано-глинистыми отложениями На рис 4 хорошо видны этапы выработки ложа, подчас расположенного за пределами современной поймы

Такое геоморфологическое строение типично для Камы и ее основных притоков, протекающих через Удмуртию При этом глубина древней и каньонообразной врезки достигает отметок абсолютного нуля при впадении в праКаму и сходит на нет к истокам

13

В долине реки Иж в ряде пунктов вскрыта погребенная третичная долина праИжа, например, в селе Малая Пурга на маслозаводе при бурении скважины на воду ложе прареки обнаружилось на глубине около 80 м Четвертичные отложения (Q)

Четвертичные отложения по своим свойствам и происхождению подразделяются на

элювиальные (eQ),

древнеаллювиальные (aQ, _п),

современные аллювиальные (aQ_{m IV}),

делювиальные (dQ),

озерно-болотные (е + hQ),

нерасчлененные эоловые (vQ);

водноледниковые (fQ) и др

Принятая номенклатура доступна для классификации грунтов в поле и на стройке, не требуя специального изучения их возрастных признаков

Элювиальные грунты образуют своеобразную кору выветривания верхнепермских пород и отмечаются всюду Толщина коры не превышает 3-6 м

К древнеаллювиальным условно относятся песчано-галечные и песчано-глинистые отложения верхних террас современной гидрографической сети и подобные же отложения в нижней части современных террас и пойм ниже дна речной сети К современным аллювиальным относятся песчано-глинистые отложения, распространенные в верхней части разреза речных пойм выше меженнего уровня воды Такое условное геологогеоморфологическое и литологическое деление весьма удобно и позволяет четко, особенно по литологическому составу, производить корреляцию слоев при грунтоэкологических изысканиях. Делювиальные покровные грунты разнообразного литологического состава распространены по склонам водоразделов и долин, в последнем случае погребая под собою древнеаллювиальные отложения

14

Озерно-болотные осадки имеют ограниченное распространение и выделяются по наличию иловых и заторфованных грунтов

Некоторые исследователи относят песчаные дюны по долинам рек Кильмезь, Иж, Кама и других к занровым отложениям, что вызывает возражения, так как явных следов оледенения в Удмуртии не обнаруживается Эти песчаные отложения, вероятнее всего, озерно-эолового и аллювиально-эолового происхождения Поскольку первичное их происхождение представляется неясным и проблематичным, а современные формы их залегания в виде дюн явно свидетельствуют о ветровой их переработке, то правильнее относить эти отложения к нерасчлененным эоловым

Непереотложенные флювеогляциальные и ледниковые отложения нами не обнаружены Причисляемые к ним песчано-глинистые осадки с большим количеством гальки и валунов, распространенных на склонах водоразделов на севере республики, считаются нами продуктами делювиально-пролювиальной переработки первичных отложений древних рек бассейна палеоКамы, залегающих выше по разрезу на водораздельных пространствах В пользу такого отнесения свидетельствует струйный характер размещения гальки и гравия среди песчано-глинистых осадков, залегающих на склонах водоразделов ниже террасовых останцев палеоКамы

Искусственные грунтовые образования.

К искусственным грунтам антропогенного или техногенного происхождения относятся насыпи, горные отвалы, грунты на поверхности городских территорий, существенно измененные по структуре и составу В Ижевске толщина таких грунтов может достигать до 10 и более метров в зависимости от рельефа

1.7. Подземные воды и их использование

В Удмуртии существуют все основные типы подземных вод артезианские (напорные), межпластовые, грунтовые и верховодка Для добычи грунтовых вод сооружают колодцы, скважины и горизонтальные лучевые водозаборы Для эксплуатации межпластовых вод устраиваются каптажи, скважины Добыча напорных вод осуществляется, в основном, при помощи скважин

Артезианские воды и образуемые ими бассейны можно без преувеличения назвать «царством подземных вод» Удмуртия входит в Волго-Камский артезианский бассейн, охватывающий бассейн Камы и среднее течение Волги Глубина бассейна достигает 1500-3000 м

Вода в артезианских бассейнах находится под постоянным давлением, напором, что позволяет ей в некоторых разрушенных и сильно трещиноватых участках изливаться на поверхность в виде восходящих родников и ключей, известных под названием «кипунов» Вода в них бурлит и клокочет, создавая впечатление кипящего котла Такие родники встречаются, например, в Якшур-Бодьинском районе Некоторые скважины при достижении напорного слоя фонтанируют Интересна в этом отношении скважина у деревни Пирогово. Здесь вода из скважины своим напором подается в сеть и далее в цистерну на высоту 2,5 м Артезианские пресные воды в Удмуртии встречаются повсеместно, залегая ниже современного базиса эрозии на 30-50 м Примерно до уровня абсолютного нуля они пресные, ниже - минерализованные, а с глубины - 250-300 м переходят в рассолы Все артезианские воды приурочены к коренным отложениям верхней перми

Межпластовые воды отличаются от грунтовых тем, что они находятся между двумя выдержанными водоупорными пластами, обладают местным напором и залегают на 20-30 м выше и ниже базиса эрозии Питание их происходит не на всей площади распространения

15

Рис 5 Гидрогеологический разрез по Удмуртии с севера на юг 1 — верхнепермские красноцветные песчано-глинистые отложения, 2 - нижнепермские известняки, ангидриты,    3    -    каменноугольные известняки доломиты, ангидриты,

4 - девонские отложения, 5 - нижняя граница пресных вод, 6 - общая минерализация воды, г/ч, 7 — пьезометрический напор

водоносного слоя, а только в месте выхода его на поверхность Межпластовые воды являются основными водоносными горизонтами, питающими современную гидрографическую сеть Сильная пересеченность Удмуртии способствует дренированию межпластовых вод в виде восходящих и нисходящих источников и родников Вода очень чистая и приятная на вкус Среднее количество солей от 0,2 до 0,5 г на 1 л Запасы межпластовых вод огромны, стабильны и непрерывно пополняются

Грунтовые воды - это воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, залегающего на первом более или менее выдержанном водонепроницаемом слое Наличие в Удмуртии обширных плоских равнин и понижений, а также долин крупных и мелких рек способствует формированию целых бассейнов грунтовых вод и заболачиванию отдельных участков в понижениях рельефа Грунтовые воды здесь гидрокарбанатно-кальциевого состава, в большинстве случаев неагрессивны по отношению к бетону В песчано-галечных отложениях речных долин грунтовые воды отличаются хорошей водообильностью, поэтому при устройстве заглубленных фундаментов и помещений требуется осушение и водопонижение

По химическому составу грунтовые воды приближаются к водам ближайших рек и водоемов и отличаются от них лишь чистотой и отсутствием болезнетворных микробов и бактерий Запасы грунтовых вод непрерывно изменяются при колебании уровня воды в реках, что подчеркивает тесную взаимосвязь и дренирующее влияние водотоков и водоемов Воды северной зоны содержат небольшое количество минеральных солей и органических соединений Воды южной зоны более минерализованы, органических веществ почти не содержат На ровных местах при высоком стоянии грунтовых вод местность заболачивается Особенно это характерно для бассейна Кильмези, верхнего течения Ижа, среднего течения Чепцы, дренирующее влияние которых ослаблено из-за малых уклонов грунтового потока Чаще всего осложняет строительство возникновение верховодки в верхней части разреза в

16

песчаных и супесчаных грунтах четвертичного возраста, подстилаемых глинистыми

отложениями Как правило, верховодка формируется на плоских недренированных участках

Зона пресных подземных вод в Удмуртии распространяетя примерно до глубины 100-300 м, включая грунтовые, межпластовые и артезианские воды Эта зона - огромный и неиссякаемый резервуар питьевых и хозяйственных вод, своеобразный регулятор питания рек и речек в засушливое и зимнее время года По предварительным подсчетам, объем пресной подземной воды в республике составляет около 60 млрд м³

Если всю эту воду выкачать на поверхность, она покроет территорию Удмуртии метровым слоем Прогнозные ресурсы подземных вод составляют 3378,4 тыс мУсутки Утвержденные эксплуатационные запасы по 18 участкам месторождений составляют 118,1 тыс мУсутки, из них 76,8 тыс мУсутки предназначено для промышленного освоения Ежегодный отбор подземных вод за последние годы составляет около 60 млн м³, что составляет 12% от общего водопотребления

Большое количество пресной подземной воды находится под окрестностями Ижевска Запасы ее превосходят Ижевский пруд, что для города должно иметь большое значение

Рациональное использование в качестве питьевой воды пресных подземных вод в Удмуртии должно стать перспективой развития водоснабжения Подземные воды нужно охранять от загрязнения и истощения уже сегодня, что не всегда соблюдается на деле, особенно в Ижевске

Минеральные воды.

Природные воды характеризуются большой растворяющей способностью Даже дождевая вода не является идеально чистой, так как на пути до поверхности земли она поглощает взвешенные в воздухе пыль и газы и выпадает до некоторой степени уже минерализованной Тем более это относится к подземным водам, протекающим по разнообразным горным породам Взаимодействие с окружающей средой изменяет их свойства и состав

Общее содержание веществ, растворенных в подземных водах, принято называть общей минерализацией воды В И Вернадский подразделил все природные воды, с точки зрения общей минерализации, на четыре больших класса

1)    Пресные, с общей минерализацией до 1 г,

2)    Солоноватые, с общей минерализацией от 1 до 10 г,

3)    Соленые, с общей минерализацией от 10 до 50 г,

4)    Рассолы (очень сильно минерализованные воды), с общей минерализацией больше 50 г/литр (до 200-300 г)

Минеральные воды, применяемые в лечебных целях, подразделяются по общей минерализации

1)    Минерализованные, от 1 до 5 г/л,

2)    Минеральные, от 5 до 35 г/л,

3)    Рассольные, более 35 г/л

Разнообразие подземных вод, от пресных до минеральных и рассолов, позволяет широко их использовать как для нужд народного хозяйства, так и в лечебных целях. Примером такого использования является водоснабжение санатория «Металлург», где в одном месте пробурены несколько скважин на разные горизонты для получения вод разного состава и свойств, что позволило расширить базу санатория

Характеристика подземных вод санатория «Металлург» дана в табл 4 (в ней обобщены данные по пройденным скважинам), из которой следует, что при смешении вод нескоЛьких горизонтов солевое содержание в воде может меняться Так, при объединении пресного слоя с минеральным общая минерализация снизилась до 2,6-4,1 r/л, что отмечено при откачке из скважин 3/75

17

В настоящее время минеральные воды и рассолы нашли лечебное применение во многих санаториях, например, в Варзи-Ятчи, Кизнере, Уве и др Имеется кратковременный опыт, в течение двух лет, использования минеральных вод для орошения в садоводческом кооперативе «Виктория», расположенном по соседству с Республиканской сельскохозяйственной выставкой

Для борьбы с гололедом авторами были успешно проведены эксперименты по применению «отработанных» рассолов санатория «Металлург» вместо смеси песка и соли

18

Использование пресных подземных вод.

Подземные воды всегда были высококачественными источниками водоснабжения Ижевска. Использовались все нисходящие источники межпластовых вод по коренным склонам долины рек Иж, Карлутка, Подборенка. Для этого устраивались как простейшие каптажные системы, так и водозаборные сооружения для централизованного водоснабжения. К числу последних относится водозабор, состоящий из дрен, резервуара чистой воды и насосной станции первого подъема, расположенный на коренном склоне реки Карлутка в «Козьем парке». Этот водозабор обеспечивал водой жителей района «Культбаза» в 70-х годах, но был заброшен, и сейчас все его сооружения находятся в захламленном состоянии. Вместо водозабора сооружен двухрожковый бювет со свободным сливом в загрязненную Карлутку около 500 м³ чистейшей воды в сутки.

Заброшен также кустовый водозабор из четырех скважин, сооруженный в начале 70-х годов, для обеспечения водой при пуске первой очереди завода «Буммаш».

Выведена из строя самая глубокая водозаборная скважина (163 м) на территории краеведческого музея. А она могла бы удовлетворять нужды центра города в питьевой воде и служила бы резервным источником на случай ЧП.

В 1998 году без достаточных оснований ликвидированы водозаборная скважина и водораспределительное устройство при ней на улице Камской. Пострадали от этого местные жители и ученики расположенной рядом школы, которые лишились качественной питьевой воды.

Загрязнен и заброшен источник водоснабжения у «Общества слепых», в бюветную часть которого нынче направлен трубопровод сточных вод.

Возле «Важнина ключа», примерно в 150 м выше по склону, во второй санитарной зоне строятся канализационные емкости. Здесь на месте туалетов бывшего пионерского лагеря строят гостевой дом, а на месте спальных корпусов - упомянутые емкости. Но если туалеты были в стороне и стоки не попадали в сторону ключа, то новые выгребные емкости расположены строго по склону над каптажными системами «Важнина ключа».

Все эти факты являются свидетельством пренебрежения и попустительства экологических и санитарных служб в соблюдении норм использования подземных вод.

В ансамбле монумента «Дружба народов» все подземные водоисточники были скрыты под бетонными и земляными сооружениями спуска к пруду, что придало ему «пустынный» вид, не соответствующий уникальной природе нашего родникового края.

Заброшен и перестал действовать единственный в городе фонтан круглогодичного действия, питающийся подземными водами и расположенный на набережной пруда у Индустриального техникума.

Полезно сопоставить объемы поставляемой в конце XX века подземной воды в городах республики: Ижевск - 4,4/1,06; Сарапул - 15,8/0,63; Воткинск - 72,1/2,7; Глазов - 156/6,03; Можга - 228/4,0, где в числителе дана подача воды в литрах в сутки на жителя, а в знаменателе - общее годовое количество подаваемой подземной воды в миллионах кубометров.

Из сопоставления видно, что в Глазове, численность населения которого в 6 раз меньше, потребляется больше подземной воды, чем в Ижевске. А на душу населения подается 156 л в сутки подземной воды. В Ижевске задача по снабжению населения подземной питьевой водой до настоящего времени не ставилась, наоборот, как свидетельствуют приведенные факты, от использования подземных вод старались избавиться.

Авторы неоднократно предлагали внести изменения в схему водоснабжения Ижевска путем введения дополнительных (резервных) водозаборов для отбора подземных вод, основываясь на особенностях гидрогеологического строения, сложившейся схемы

19

водоотбора, достижениях мирового опыта и с учетом собственных научных разработок Так, в республиканской печати опубликованы предложения о путях добычи подземных вод (см газету «Удмуртская правда» от 15 07 59, 21 04 87 и др ), но все они были проигнорированы в угоду сооружению фабрики «чистой» воды, обеспечивающей крупное освоение средств Уместно также привести данные из мирового опыта (см табл 5) Например, в Венгрии все питьевое водоснабжение основано на использовании подземных вод А вот как выглядят затраты на капитальное строительство и эксплуатацию водозаборов

Таблица 5

Следовательно, экономические данные зарубежных стран также свидетельствуют в пользу использования подземных вод

Для перевода водоснабжения населения Ижевска с поверхностных на подземные воды необходимо создать как локальные, так и централизованные системы подземных водозаборов Предлагается бурение одной-двух водозаборных скважин в местах большого сосредоточения малообеспеченного населения (инвалидов, школьников, студентов) Это, в первую очередь, должно осуществиться в зоне расположения ИжГТУ - ИжГСХА - госпиталь -школа №9, а также для снабжения водой района УдГУ - УГМА - стадион «Зенит» - Ледовый дворец и др

Необходимо создание отдельных кустовых водозаборов подземных вод для обеспечения водой населения Октябрьского, Индустриального, Устиновского и Ленинского районов Для Первомайского района, в рекреационно-санаторных предместьях которого размещены канализационные очистные сооружения и полигон ТБО, налаживание такого водозабора пока проблематично

Следует поэтапно соорудить 3-4 подземных горизонтально-лучевых подрусловых водозабора в местах пересечения реки Сива с магистральным водоводом из Боткинского водохранилища и на островах реки Кама, там где в нее впадает Сива и у деревни Докша Эти водозаборы, по предварительной оценке, способны в сумме дать 250-300 тыс м³ инфильтрационной воды в сутки, те полностью обеспечить потребность Ижевска в воде Создание таких водозаборов позволит получать более качественную воду, значительно сократит длину магистрального водовода, обеспечит создание резервных мощностей и будет гарантировать устойчивое водоснабжение на случай чрезвычайных ситуаций

Ориентация на подземные воды соответствует мировым тенденциям и значительно сократит риск от попадания загрязнений в систему водоснабжения Опыт жсплуатации инфильтрационных водозаборов имеется Например, в Сарапуле на острове Зеленый существовал такой водозабор, дававший 18 тыс м³ чистой воды в сутки Его закрыли из-за угрозы ожидавшегося затопления острова Нижне-Камским водохранилищем Альтернативный вариант подруслового водозабора с горизонтальными лучами-фильтрами позволил бы получать инфильтрационные воды в условиях затопления в значительно больших объемах до 50 тыс м³ в сутки Но этот проект не был реализован из-за косности чиновников, несмотря на его дешевизну

Горизонтальный лучевой водозабор смог бы обеспечить качественной водой город Камбарку, где есть угроза загрязнения от хранения и уничтожения имеющихся там отравляющих веществ

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

Благоприятные инженерно-геологические (грунтоэкологические) условия Удмуртии и большой фактический материал, накопленный изыскателями, строителями и учеными, был ранее обобщен в работе «Грунты Удмуртии», которая стала первым сводным трудом по созданию региональных строительных норм типа РСН

В настоящей монографии изложены результаты работ местных специалистов и новых исследований авторов При этом не ставилась задача подробного их описания, а делались ссылки на использованные источники Основное же внимание было уделено проблемным и малоизученным аспектам, влияющим на правильность грунтоэкологических оценок В работе описаны верхнепермские грунты, прочностные свойства которых значительно отличаются от четвертичных грунтов и изучение которых известными лабораторными и штамповыми испытаниями не дает надежных сведений Поэтому основными методами их изучения выбраны исследования прониканием и погружением конусов, статическим и динамическим испытанием свай

Разобщенность и некомплексность некоторых испытаний грунтов не позволили в полной мере использовать аппарат математической статистики для установления обобщенных показателей по ГОСТ, поэтому для выбора направлений дальнейших исследований и предварительной оценки некоторых прочностных показателей авторы ограничились упрощенными графоаналитическими решениями

Некоторые приемы исследования, теоретические и методические положения разработаны впервые, что потребовало введения новых терминов По этой же причине часть решений следует считать предварительными Это может вызвать критику, но авторы надеются, что обсуждение дискуссионных положений будет способствовать их совершенствованию

Авторы выражают признательность руководству ООО ПКФ «ЕС» и редакции журнала «Строительный вестник в Удмуртии» за помощь в издании сборника Монография предназначается для строителей и студентов строительных специальностей, для изыскателей и проектировщиков

3

1.8. Неблагоприятные грунтоэкологические явления

Из неблагоприятных грунтоэкологических явлений в Удмуртии проявляются следующие оползни, оплывины и суффозия по долинам рек, особенно на склонах и по берегам, берегоразрушение и подтопление, ведущее к заболачиванию В наибольшей степени проявляются негативные последствия морозного пучения в покровных супесях, особенно на участках, подверженных переувлажнению, влияющему на устойчивость фундаментов зданий и сооружений

При застройке больших площадей в долинах рек и на пологих склонах долин, вследствие планировочных работ, асфальтирования и устройства многочисленных коммуникаций, по которым происходят утечки воды, создаются условия для подъема уровня грунтовых вод и ослабления прочностных свойств грунтов Эти факторы, а также наличие здесь заболоченных площадей требуют осуществления специальных мер инженерной подготовки территории По долинам крупных рек встречаются участки, где залегают пылеватые и мелкозернистые пески, обладающие плывунными свойствами и затрудняющие производство земляных работ Наибольшую опасность представляют погребенные овраги в коренных верхнепермских отложениях, заполненные слабыми четвертичными осадками пролювиально-делювиального и озерно-болотного происхождения Размеры их на коренных склонах относительно невелики 20-*-50 по верху и 2-*-10 и более метров глубиной В зданиях, расположенных над ними, из-за различной плотности и прочности грунтов в бортах и заполненном русле, наблюдаются большие осадки отдельных частей зданий и возникают недопустимые деформации фундаментов Аналогичные явления отмечаются на участках перехода древних погребенных долин современных рек и речек в коренной склон, где поверхность коренных отложений круто погружается под толщу слабых аллювиально-делювиальных четвертичных отложений Участки погребенных долин и оврагов с поверхности могут не иметь значительных перепадов высот, чаще они бывают снивелированы и создают ложное впечатление однородности площадки

В южных районах, вблизи от давно ликвидированных Бемыжского и Варзи-Алексеевского медеплавильных заводов, могут отмечаться провалы над заброшенными подземными выработками, оставшимися после извлечения медистых песчаников Аналогичная ситуация уже наблюдалась в Перми

Просадочных явлений в грунтах Удмуртии не отмечалось По комплексу определений близкие к просадочным делювиальные макропористые суглинки южных районов республики могут быть только условно отнесены к просадочным Однако этот вопрос требует дальнейшего углубленного изучения Здесь же только отметим, что большинство деформаций зданий приходится на макропористые делювиальные суглинки, которые способны значительно уменьшать свою прочность при увеличении влажности в локальных зонах Эта особенность делает их близкими к просадочным грунтам, но по совокупности всех признаков их нельзя отождествлять с просадочными грунтами, так как все они неоднократно претерпевали увлажнение до G > 0,8 Этому благоприятствует и достаточное количество осадков, формирование верховодки в весеннее время, постепенное опускающееся до постоянного уровня грунтовых вод

В южных, в основном безлесных, районах развита овражная эрозия Доля заовраженных земель здесь составляет 41%, при этом объем размытой земли достигает 300 тыс м³ и выносится на пойменные луга и в водоемы, вызывая их обмеление [28]

Интенсивная вырубка лесов привела к ускоренному таянию снега А это, в свою очередь, привело к уменьшению сроков питания подземных вод и увеличению объемов воды в половодье, вызывая наводнения

21

Глава I. ПРИРОДНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

1.1. Основные этапы изучения грунтов и подземных вод

Со строительством кирпичных построек (Бемыжский медеплавильный завод, 1775 г, церковь Преображения в Глазове, 1786 г и другие здания) возникла потребность в исследованиях грунтов

Первым зодчим, изучавшим грунты при крупном промышленном строительстве (1807-1824 гт\ был С Е Дудин, который начал динамические испытания деревянных свай и совместно с А Ф Дерябиным выполнил первое грунтоэкологическое районирование Ижевского завода и поселка [16]

С развитием промышленного строительства в 1826 году создается первый минералогический кабинет на Боткинском заводе, организуются первые геологические (геогностические) партии для разведки залежей угля, строительных материалов и других полезных ископаемых [31]

В Ижевске в 1850 году на 24 кирпичных заводских здания, 3 церкви и 3499 деревянных домов имелось 1106 колодцев и использовались водоисточники по берегу пруда [25]

Специальные геологические и гидрогеологические работы были проведены в начале 90-х годов XIX столетия геологом П И Кротовым Им были обследованы, в частности, минеральные воды и грязи в селе Варзи-Ятчи, изучен состав вод Ижевского минерального источника, позднее, в 1903 году, оборудованного для использования стараниями Д Ф Спиридонова [13] Первые линейные изыскания большой протяженности следует связывать с прокладкой трассы железной дороги Вятка-Пермь в конце XIX века

Глубокое структурное бурение в 1939-40-х годах выявило наличие минеральных и рассольных вод под Глазовом, а начатые в 1945 году поиски нефти установили повсеместное их распространение на территории Удмуртии Изучением химического состава этих вод плодотворно снимался В И Наумов [23] В двадцатом веке изучение грунтов и использование подземных вод приобрело планомерный и систематический характер Была создана специальная организация по бурению на воду, в становлении которой заметный вклад внесли М И Штин, А И Королев и др В 40-х годах этого столетия большой объем геологического картирования отдельных районов республики выполнила Удмуртская геологическая контора, на базе которой в 1938 году образовался постоянный изыскательский отряд при Ижевском металлургическом заводе

С созданием в 1948 года постоянно действующего изыскательского подразделения при Удмуртской проектной конторе, а в 1955 году Удмуртского филиала «Росгипрогорсельстрой» (позднее объединенных в проектный институт «Удмуртгражданпроект») началось формирование регулярной службы по изучению грунтов В организации этой службы большая заслуга принадлежит Н П Кыласовой и Ю А Ельцову Стараниями Ю А Ельцова, Ф И Сергеева, А К Андреева, С 3 Попова, Т А Соловьевой, С А Карсканова и других в Удмуртии стали внедряться современные технические средства испытания грунтов, началась систематизация материалов изысканий и физико-механических свойств грунтов В это же время создавалась лабораторная база опробования грунтов, в формировании которой участвовали А К Суворова, В И Чебышева, Д А Абрамова и др

Особый вклад в исследование грунтов, находящихся в водонасыщенном состоянии, и в разработку научных рекомендаций устройства фундаментов на этих грунтах внес в довоенные годы при реконструкции плотины Ижевского пруда и при строительстве завода «Ижсталь» Всесоюзный институт по сложным фундаментам ВИОС

В 50-60-е годы крупномасштабные инженерно-геологические изыскания были сделаны институтом «Гидропроект» для проектирования Боткинской и Нижнекамской ГЭС

4

В 60-70-х годах на территории Удмуртии Горьковским геологическим управлением была

выполнена комплексная геологическая съемка, включавшая изучение геоморфологического строения, гидрогеологических и инженерно-геологических условий

Первый кустовой водозабор подземных вод был сооружен по проекту и под руководством Ю А Ельцова в 1961 году на Южном поселке г Воткинска В г Сарапуле на острове Зеленый в 70-х годах был сооружен инфильтрационный водозабор из линейного ряда водозаборных скважин

Изучением грунтов в Удмуртии в период до 1991 года занимались изыскательские подразделения при инстихузах «Удмуртгражданпроект», «Удмуртсельпроект», «Ленгипроводхоз», «Ипромашпром» и других организациях С 1976 года Ю А Ельцов и др начали исследование грунтов на современной научно-технической основе на инженерностроительном факультете Ижевского механического института

Под руководством В А Кожевникова в 1974-1976 годах в санатории «Металлург»' было осуществлено бурение пяти скважин, вскрывших минерализованные и минеральные воды, а также рассолы с разных глубин до 1026 м Таким образом, гидрогеологические прогнозы о возможности получения вод разного состава в одном месте для лечебно-оздоровительных целей, обоснованные ранее, нашли подтверждение и практическую реализацию [ 10]

1.2.0 грунтоэкологии

Широкий размах строительства в России, в том числе в Удмуртии, привлек к решению проблем освоения территорий и строительства специалистов многих отраслей знания, включая геологов В связи с этим потребовалась их подготовка и приближение геологических наук к нуждам строительства В этих условиях возникла новая специальность и дисциплина - инженерная (техническая) геология

Освоение и застройка больших территорий привели к экологически неблагоприятным изменениям природной среды Это потребовало создания междисциплинарной науки «Геоэкология» (по предложению академика В И Осипова), изучающей «неживое вещество геосферных оболочек Земли как компоненту окружающей среды и минеральную основу биосферы» Основное внимание в новой науке уделено верхней части литосферы и процессам, происходящим в ней под влиянием природных и техногенных факторов

Одновременно под аналогичным названием появились труды географического направления В условиях изменения городской среды возникла необходимость подготовки «геоэкологов» Этому было уделено особое внимание на конференции «Экологическая геология и рациональное природопользование» (С -Петербург, 1997) В этих условиях правомерно изменить название дисциплины о грунтовой среде для специалистов строительного профиля

Изучение инженерной геологии, наряду с природоведением и механикой грунтов, включено в программу подготовки инженеров-строителей в виде отдельных предметов, хотя по сути своей они являются частями одной комплексной дисциплины, называемой учеными по-разному «Основы грунтоведения и механики грунтов», «Основы механики грунтов и инженерной геологии», «Геоэкология» и тд Целесообразно объединенную дисциплину называть кратко и обобщенно Этому требованию наиболее всего отвечает название «Грунтоэкология», так как объектом рассмотрения и использования в строительстве является грунт как среда обитания и строительно-хозяйственной деятельности человека Следовательно, в отличие от инженерной геологии и грунтоведения, грунтоэкология - это область знаний о грунтах для подготовки специалистов строительной отрасли

5

В соответствии со Строительными нормами и правилами для отдельных районов страны, где грунтовые условия имеют существенные местные отличия, разрабатываются свои региональные нормативы и описания грунтов, куда включаются также разделы по геологии, гидрогеологии и другим смежным дисциплинам Например, «Строительные свойства грунтов района Ленинграда» и др Такие обобщающие работы, предназначенные для изыскателей, проектировщиков и строителей, более удобно и правильно называть грунтоэкологией региона Следовательно, название «Грунтоэкология Удмуртии» более отвечает региональному описанию грунтов

Итак, грунтоэкология является комплексной дисциплиной, изучающей покровную часть земной коры как объект строительной и хозяйственной деятельности человека Грунтоэкология исследует природногеологическую среду и ее динамику под влиянием природных и антропогенных (искусственно вызванных человеческой деятельностью) факторов, определяет физико-механические и химические свойства грунтов в совокупности с подземными водами, прогнозирует их изменение во времени, рассматривает напряжения и деформации оснований под влиянием внутренних и внешних сил Она позволяет давать оценку свойств грунтов, как под отдельными сооружениями, так и длящелых регионов На базе ее теоретических и эмпирических положений производятся расчеты устойчивости фундаментов и подземных сооружений, склонов и откосов, обосновываются мероприятия по улучшению природно-геологической (геоэкологической) среды и по предотвращению неблагоприятных явлений в грунтах

Грунтоэкология, находясь на стыке двух областей знаний (геологии и строительства), тесно связана в первую очередь с инженерной геологией (геоэкологией), механикой грунтов и фундаментостроением Эти и другие связи грунтоэкологии схематично изображены на

Рис 1 Схема составных частей и связей грунтоэкологии с другими науками Слово «грунт» (от немецкого «Grund») в строительную терминологию включено, по-видимому, под влиянием немецких специалистов в конце XVIII века Первую в России книгу по грунтам издал в журнале путей сообщения инженер М С Волков («Об исследовании грунтов земли производимом в строительном искусстве», С -Пб, 1835 г) С тех пор под термином «грунт» понимают естественную и искусственную среду оснований зданий и сооружений Сейчас этот термин прочно вошел в строительную литературу и обиход и трактуется как среда обитания и деятельности человека

6

1.3. Рельеф с элементами геоморфологии

Территория Удмуртии представляет собой невысокую равнину, сложенную осадочными верхнепермскими отложениями, имеющую общее понижение с севера на юг и с востока на запад [32] Она является частью Русской платформы и западного крыла погребенного Предуральского прогиба Близость Урала сказалась на геоморфологическом строении в целом Так, восточная половина республики представляет возвышенную зону обширного Верхне-Камского вала - слабо выраженного тектонического поднятия, простирающегося в направлении, близком к меридиональному Западная часть территории образована пологими внешними склонами этого вала, преобразованными денудационными процессами

На северо-востоке республики (правобережье реки Чепцы) расположена Верхне-Камская возвышенность Абсолютные отметки местности здесь достигают 323-330 м Район отличается значительной пересеченностью, обусловленной денудационными процессами, с перепадом высот до 100 и более метров

Южнее реки Чепцы, между ее притоком рекой Лозой и восточной границей Удмуртии, расположен также возвышенный и сильно изрезанный узкими речными долинами и логами район Здесь проходят водоразделы притоков рек Чепцы и Камы Отдельные возвышенности в Дебесском и Шарканском районах достигают 300-320 м над уровнем Балтийского моря Местность в верховьях левых притоков реки Чепцы между рекой Лозой и западной границей представляет равнину, где небольшие возвышенности чередуются с ровными аккумулятивными площадями

На юго-востоке, между реками Иж и Кама, расположена Сарапульская возвышенность, наиболее высокая точка которой имеет отметку 249 м абсолютной высоты

По долине реки Кильмезь расположена обширная песчаная низина проблематичного происхождения, на которой пески образуют дюны, покрытые хвойным лесом В верхнем течении реки Кильмезь низины часто заболочены, здесь распространены торфяные болота Местность в бассейне реки Иж отличается средней пересеченностью, формы долин оглажены денудационными процессами

В формировании геоморфологического строения Удмуртии еще многое не раскрыто Это, в первую очередь, касается начала развития денудационных процессов и превращения пенепленизированной палеоравнины в ярко выраженные возвышенности с хорошо разработанными глубокими речными долинами До конца не выяснена связь формирования долин современных рек с их палеоаналогами Вызывают возражения доводы о степени участия ледниковой деятельности в формировании некоторых элементов рельефа Выделенные на водоразделах «пуги», по нашему мнению, являются останцами мезозойского пенеплена

Рис 2 Схема погребенной речной сети Поволжья

(по Е М Сергееву)

1    - среднеплейстоценовая сеть (пунктирная линия),

2    -то же, предполагаемая (точки),

3    - раннеплейстоценовое русло Вочги (сплошная линия)

7

Противоречивы объяснения некоторыми специалистами асимметрии долин с право- и

левосторонними крутыми склонами, например, рек Вала и Иж

Совершенно не изучены явления перехвата Камой рек, например, Ижа и, возможно, Сивы, о чем может свидетельствовать левосторонняя крутизна их коренных склонов

1.4. Климат

Климат республики умеренно-континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой и коротким летом [13]

Особенности атмосферной циркуляции, характерные для Предуралья, в том числе и для Удмуртии, определяются частотой и продолжительностью пребывания различных воздушных масс В основном здесь преобладают континентальные воздушные массы умеренных широт, которые летом имеют температуру плюс 15-20°С, зимой около минус 15-20°С

Проникновение морского воздуха умеренных широт, связанное с циклонической деятельностью, развивающейся над севером и северо-западом Европы, вызывает в холодное время года резкое повышение температуры и нередкое наступление кратковременных оттепелей

Летом вхождение морского воздуха приносит прохладную и влажную погоду Континентальный арктический воздух, нередко вторгающийся в Удмуртию с севера, приносит сильные морозы зимой (до -40° и ниже), а также частые ночные заморозки весной и осенью

В летнее время изредка наблюдается поступление с юга и юго-востока очень теплых воздушных масс, с которыми связана засушливая жаркая погода Значительное различие в тепловом режиме районов республики объясняется протяженностью ее с севера на юг более чем на 300 км В целом северо-восток более холодный, чем юго-запад Установленные закономерности сезонной циркуляции воздушных масс позволили выделить преобладающие направления ветров зимой - с юго-запада, летом с северо-запада

Средняя годовая температура воздуха колеблется около +0,90°С в северо-восточных районах и около +2,1°С в юго-западных (см табл 1)

Самое теплое время года - вторая и третья декады июня, когда средняя температура воздуха за декаду чаще всего бывает порядка 18-19°С, при этом в дневные часы она достигает обычно 20-23°С Максимальная температура воздуха в это время года может достигать 35-38°С Наиболее холодным периодом является третья декада января, когда температура

воздуха в среднем за декаду составляет -15°С, -16°С. Минимальные температуры воздуха бывают обычно -36°С, -40°С, а в наиболее холодные дни морозы достигают -47°С, -48°С.

На большей части территории республики за год выпадает 450-500 мм осадков, а за 5 месяцев летнего периода 250-350 мм. Климатические условия республики по сезонам кратко

характеризуются следующими данными.

ЗИМА. Зимний период на севере республики продолжается обычно с 21-22/Х по 10-13/IV, т.е. на 5-10 дней дольше, чем на юге.

Зима продолжительная и многоснежная. Снежный покров образуется на полях около 10/XI-18/XI и достигает 45-60 см в конце марта. В зависимости от толщины снега и низких температур находится глубина промерзания грунта. Наиболее интенсивно почва промерзает в ноябре и декабре, когда снежный покров еще мал, а температура может снижаться до -30°С, -36°С. В конце зимы промерзание грунта может достигать наибольших значений: в центральных и западных районах 65-90 см, в северных - до 70-100 (см. табл. 2). В зиму 1968-69 и 1969-70 годов мерзлота достигала на оголенных участках до 120-180 см. Более подробные сведения о промерзании грунтов изложены в главе VI.

ВЕСНА. Весна в Удмуртии начинается раньше на юго-западе, где положительная температура устанавливается около 7-8/IV, в других же районах - 9-11/1V. Во второй декаде апреля снег полностью сходит с полей, а около 21-26/1V воздух прогревается до +5°С и грунты полностью оттаивают на всю глубину.

ЛЕТО. В северной половине республики лето начинается обычно с 10-15/VI, а на юге на 10 дней раньше. Продолжительность летнего времени на юге составляет 2,5-3,0 месяца, на севере - 2 месяца.

ОСЕНЬ. 20-25 августа на юге и около 15-18/VIII на севере средняя температура воздуха устанавливается ниже +15°С и наступает переход к осени. Погода меняется, начинаются продолжительные дожди, создающие увеличенную влажность воздуха и грунтов.

Положительные температуры воздуха в Удмуртии держатся в среднем 190-200 дней.

Заморозки возможны в первой декаде июня, а на севере и в замкнутых низинах - во

второй половине июня.    .

1.5. Глубина сезонного промерзания грунта

В СНиП по основаниям зданий и сооружений за нормативную глубину сезонного промерзания грунта принимается величина, равная средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания, по данным наблюдений за период не менее 10 лет за фактическим промерзанием грунтов под открытой, оголённой от снега поверхностью горизонтальной площадки, при уровне грунтовых вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Специальных работ по изучению глубины промерзания для выработки нормативных показателей в Удмуртии не проводилось Имеются разрозненные данные о величине мерзлоты, установленной при бурении инженерно-геологических скважин Установленная при этих работах толщина мерзлоты по многолетним наблюдениям составляет максимум под оголенными участками шоссейных дорог, достигая 2-2,5 м

По данным Ижевской авиаметеостанции, максимальная промерзаемость за последние годы составила

Глазов более 150 см,    Воткинск    150    см,

Можга    149    см,    Ижевск    139    см

Нормативная глубина промерзания на оголенной от снега площади по теплотехническим расчетам определяется по формуле

Н^н=Н_оу[£1Т_н1,    ⁽¹⁾

где ZITJ- сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму по результатам наблюдений гидрометеорологических станций,

Н₀ - глубина промерзания при HITJ = /, зависящая от вида грунта, и принимается равной (см) для

суглинков и глин    - 23,

супесей, песков мелких и пылеватых - 28, песков крупных и средней крупности - 30, крупнообломочных грунтов    - 34

По формуле (1), на основании наблюдений гидрометеорологических станций, были рассчитаны нормативные глубины сезонного промерзания грунтов для населенных пунктов, перечисленных в таблице 3

По нашим наблюдениям, глубина промерзания в лесу под снежным покровом составляет 0,4-1,1 м, т е на 0,5-1,0 м меньше, чем в поле Глубина промерзания по данным бурения в парке им Кирова по единовременным замерам 5 04 97 г составила

•    в лесу под снежной тропой в песках и супесях, подстилаемых суглинком - 1,7 м,

•    в лесу под рыхлым снегом и подстилкой - 1,1-1,3 м,

•    на лесной поляне под снежной тропой в песках, подстилаемых с глубины 1,25 м элювиальными глинами - 1,75 м,

•    рядом с оголенной от снега дорогой в песках и супесях, подстилаемых изоглиной - 1,8-2,2 м

ю