НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОЛОГІЧНИХ НАУК

Самойленко Людмила Веніамінівна

УДК 624.131 (477.41)

ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНІ УМОВИ ПРАВОБЕРЕЖНОГО СХИЛУ ДОЛИНИ ДНІПРА В РАЙОНІ м. КИЄВА

Спеціальність 04.00.07 –

інженерна геологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата геологічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геологічних наук НАН України

Науковий керівник | Доктор технічних наук

Демчишин Михайло Гордійович,

завідуючий відділом інженерної геології

Інституту геологічних наук НАН України.

Офіційні опоненти: | Доктор геол.-мін наук

Лущик Анатолій Васильович,

провідний науковий співробітник Кримського Відділення Українського державного геологорозвідувального інституту.

Кандидат геол.-мін. наук

Стрижельчик Геннадій Георгійович, заступник ген. директора Харківського УкрНДІІНТВ Держбуду України.

Провідна установа | Одеський національний університет ім. І. І. Мечнікова |

Захист відбудеться “03” лютого 2004 р. о 10 – 30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.05 в Інституті геологічних наук НАН України за адресою:

01601 м. Київ, вул. О. Гончара, 55-б

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України за адресою: 01601 м. Київ, вул. О. Гончара, 55-б

Автореферат розісланий “ 30 ” грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

канд. геол.- мін. наук В.М.Бублясь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Правий підвищений берег долини Дніпра в межах території м. Києва за станом на 2002 р. простягається на 40 км. Дослідження виконувались на ділянці схилу з прилеглим ґрунтовим масивом довжиною близько 10 км між долинами рр. Либіді і Сирцю (далі "схил"). Саме тут було засноване древнє місто Київ, вздовж цього берега, його схилів та прилеглих ділянок плато воно розширювалось і забудовувалось, починаючи з ранніх етапів розвитку. В новому Генеральному плані міста правобережний схил розглядається і як складова частина водно-зеленої смуги, що формується вздовж Дніпра, і як зона історичного ландшафту та частина міського центру. Тому забезпечення довгострокової стабільності схилу для збереження архітектурно-ландшафтного комплексу історичної частини міста має важливе значення і залежить, у визначальній мірі, від інженерно-геологічних умов, що постійно змінюються під впливом природних та техногенних чинників. Техногенні перетворення гідрографічної мережі, рельєфу, підземної сфери, умов живлення і дренування грунтових вод, рослинного покриву, і, як наслідок, фізико-механічних властивостей грунтів, що складають схил, не раз призводили до розвитку екзогенних процесів та деформацій споруд. Тому встановлення закономірностей просторово-часових трансформацій інженерно-геологічних умов та факторів, що їх спричиняють; виявлення особливостей розвитку ерозійно-гравітаційних процесів, що є характерними показниками зміни інженерно-геологічних умов схилових ділянок; розробка методів оперативного визначення стану стійкості дозволять встановити доцільність функціонального використання та оптимальні напрями подальшого освоєння; встановити терміновість ліквідації дестабілізуючих чинників для збереження схилу та споруд на ньому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження інженерно-геологічних умов правобережного схилу долини Дніпра в районі Києва відбувалось в зв'язку з виконанням у відділі інженерної геології науково-дослідних робіт: "Розробити методику та обґрунтувати моніторинг геологічного середовища зон історичної забудови м. Києва з метою охорони історико-архітектурних пам'яток" (1996-2001 рр.), "Карта-схема зсувних процесів в Києві з виділенням найбільш небезпечних ділянок. Інженерно–геологічні та гідрогеологічні умови розвитку зсувів" (2001 р.), "Дослідження впливів дренажних штольневих систем на стан схилів ділянки парку Вічної Слави м. Києва" (2002 р.), у яких і використані результати дисертаційної роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення особливостей розвитку інженерно-геологічних умов правобережного схилу долини Дніпра в межах м. Києва, як динамічної системи, що постійно змінюється в процесі освоєння і забудови, і чинників, що призводять до цієї зміни, для подальшої розробки рекомендацій раціонального його використання.

Для реалізації поставленої мети вирішувались наступні задачі:

·

·

·

·

·

·

·

Об`єкт дослідження: інженерно-геологічні умови правобережного схилу долини Дніпра в районі Києва, які зазнавали і зазнають постійної зміни в процесі урбанізації під впливом природних і техногенних чинників.

Предмет дослідження: фактори формування інженерно-геологічних умов, їх трансформація під впливом урбанізації; особливості розвитку екзогенних процесів як індикаторів зміни інженерно-геологічних умов.

Методи дослідження. В процесі роботи виконувались наземні режимні спостереження за проявами екзогенних процесів з виявленням їх геоморфологічних, геологічних, гідрогеологічних, ландшафтних ознак та відбором монолітів грунтів; за рівнем грунтових вод; станом дренажно-штольневих систем (ДШС); експериментальні (визначення кількості суфозійного виносу у ДШС) та лабораторні (визначення фізико-механічних властивостей грунтів) дослідження. Для встановлення впливу на стійкість схилу значень показників фізико-механічних властивостей грунтів застосовувались методи математичного моделювання; для визначення просторово-часових змін інженерно-геологічних умов - порівняльний аналіз картографічних матеріалів, фондових і історико-літературних даних; матеріали інженерно-геологічних вишукувань різних часів. Автором розроблено метод оперативної оцінки стану стійкості схилу на основі розрахунку коефіцієнта стабільності.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше виконано наукове узагальнення і систематизація фактичного матеріалу інженерно-геологічних вишукувань накопиченого численними виконавцями, даних про інженерно-геологічні умови та їх трансформацію в процесі урбанізації, вплив на розвиток екзогенних геологічних процесів, які і є основним показником зміни інженерно-геологічних умов.

Встановлені основні природні і техногенні чинники зміни інженерно-геологічних умов та розвитку екзогенних геологічних процесів; залежність особливостей інженерно-геологічних умов від напрямів техногенного впливу, що визначаються функціональним використанням території.

На основі показників міцнісних властивостей грунтів схилу виконана їх класифікація за впливом на розвиток екзогенних процесів, розроблені схеми утворення циркоподібних ярів та ерозійно-структурної тераси, карта-схема поширення техногенних відкладів в масштабі 1:25000.

На основі розроблених критеріїв виконана типізація схилу за інженерно-геологічними умовами при цьому виділені підрайони за особливостями геологічної будови, геоморфології, розвитку екзогенних процесів та ділянки в межах підрайонів за стійкістю (стабільністю) інженерно-геологічних умов.

Розроблена методика оперативного визначення стану стійкості інженерно-геологічних умов схилу на основі розрахунку запропонованого автором коефіцієнта стабільності, за якою визначено стан стійкості інженерно-геологічних умов характерних ділянок та дано прогноз можливості їх зміни.

Практичне значення роботи. Результати використані ВАТ “Київпроект” для: прогнозу зміни інженерно-геологічних умов при різному функціональному використанні території; оперативного визначення стану стійкості схилу та терміновості ліквідації дестабілізуючих факторів; оцінки необхідності інженерного захисту тощо. Результати дисертації корисні проектним, будівельним та іншим організаціям для вирішення різноманітних практичних і науково-практичних задач.

Положення, що захищаються.

Основними чинниками формування інженерно-геологічних умов та розвитку екзогенних геологічних процесів на схилі є техногенні, серед яких визначальними є незадовільний стан дренажних штольневих систем і витоки із водонесучих комунікацій. При цьому особливості інженерно-геологічних умов залежать від функціонального використання території.

На основі розробленої автором класифікації грунтів схилу за впливом на розвиток екзогенних процесів визначені активні, активно-нейтральні, нейтральні, умовно-нейтральні, закріпляючі, стабілізуючі товщі. Із наявністю у розрізі різних типів грунтів пов`язані особливі форми рельєфу (циркоподібні яри, ерозійно-структурна тераса, розгалужені яри).

Розроблена методика оперативного визначення стану стійкості інженерно-геологічних умов схилу на основі розрахунку запропонованого автором коефіцієнта стабільності, за якою визначено стан стійкості інженерно-геологічних умов характерних ділянок (стабільний, досить стабільний, відносно стабільний, нестабільний, загрозливий) та дано прогноз можливості їх зміни.

Виконана типізація схилу за інженерно-геологічними умовами. При цьому за геолого-геоморфологічними та екзогеодинамічними ознаками виділені підрайони, а за стабільністю інженерно-геологічних умов – ділянки в межах підрайонів.

Апробація результатів дисертації. Результати розробок по темі дисертації доповідались на науковій конференції "Геологія в ХХ столітті: шляхи розвитку та перспективи" (Київ, 2001, травень 11-14), міжнародній конференції "Interfaces against pollution" (Угорщина, Мішкольц, 2002, травень 27-30), міжнародній науково-практичній конференції "Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях" (Крим, Рибаче, 2002, вересень 8-11), на V-му Севастопольському Міжнародному семінарі "Фундаментальні і прикладні проблеми моніторингу і прогнозу природних, техногенних і соціальних катастроф" "Стихія-2002" (Севастополь, 2002, вересень 14–22), на 2-й науково-практичній конференції "Інженерний захист територій та об'єктів у зв'язку із розвитком небезпечних геологічних процесів" (Гурзуф, 2002, жовтень 14–18), на 2-й міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою регіонів, природокористуванням, заходами у надзвичайних ситуаціях” (Київ-Харків-Крим, 2003 вересень 15-20), на науково-технічній конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (Київ, 2003, червень 3-5).

Публікації. Результати робіт по темі дисертації опубліковані у 6-ти статтях у фахових виданнях і 4-х тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів та висновків. Робота містить 135 сторінок машинописного тексту, 24 ілюстрації, 17 таблиць, 3 додатки та список використаних літературних джерел, що включає 192 найменувань. Роботу виконано у відділі інженерної геології під керівництвом доктора технічних наук М. Г. Демчишина, якому автор щиро вдячна за постійну увагу та спрямування розробок. За надання консультацій і підтримку автор дякує кандидату геол.-мін. наук В.П. Ніколішину, кандидату геол.-мін. наук В.Ф. Рибіну, кандидату геол. наук І.А. Черевко.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан вивчення інженерно-геологічних умов схилу. Інженерно-геологічним умовам та розвитку екзогенних процесів на схилі Дніпра у Києві приділяли увагу дослідники, починаючи з 1860 р. (початок спорудження Миколаївського узвозу). Автори, серед яких вирізняються К.Людевіг, М.Борбот-де-Марні, К.Феофілактов, П.Тутковський, П.Армашевський, С.Коклик, П.Чирвінський, В.Чирвінський, В.Лучицький, Б.Лічков, Є.Оппоков, М.Погребов, В.Болгарський, М.Каманін, А.Дранніков, А.Головань, І.Киричко, М.Демчишин та ін., по різному визначали основні причини розвитку схилових процесів, вбачаючи їх то у грунтових водах, то у властивостях грунтів, що складають схил, то у кліматичних умовах. Питання про техногенні чинники дестабілізації схилу майже не піднімались. У зв`язку із будівництвом та розвитком екзогенних процесів на схилі накопичено значний фактичний матеріал з інженерно-геологічних вишукувань, який потребує серйозного аналізу, узагальнення та класифікації, що і має намір зробити автор у цій роботі. При цьому планується встановити роль грунтів схилу у розвитку екзогенних процесів та в утворенні особливих форм рельєфу (циркоподібних ярів, тераси на строкатих глинах, розгалужених ярів), встановити вплив техногенної трансформації гідрографічної мережі, рослинного покриву, умов дренування ґрунтових вод, рельєфу на зміну інженерно-геологічних умов; визначити залежність особливостей інженерно-геологічних умов від функціонального використання території; виділити типи ділянок схилу за геолого-геоморфологічними та екзогеодинамічними показниками, розробити систему критеріїв стабільності схилу.

Розділ 2. Методи досліджень. Головним принципом досліджень інженерно-геологічних умов схилу є поєднання загального інженерно-геологічного, техногенного, історичного та математичного методів. Загальний інженерно-геологічний метод застосовувався для вивчення фізико-географічних, геоморфологічних, геологічних, гідрогеологічних та геодинамічних факторів формування інженерно-геологічних умов; техногенний – для аналізу впливу техногенних чинників на їх трансформацію; історичний - для встановлення часових аспектів взаємодії природних умов і техногенного навантаження в процесі урбанізації території; математичний - для узагальнення і систематизації даних про розвиток екзогенних процесів на схилі за період 1939 - 2000 рр. Дослідження виконувались за схемою: 1. Створення бази даних інженерно-геологічних показників розвитку екзогенних процесів на основі вивчення фондових матеріалів, режимних спостережень та лабораторних досліджень. 2. Виявлення закономірностей розвитку екзогенних процесів та встановлення дестабілізуючих чинників. 3. Виділення типів ділянок за геолого-геоморфологічними та екзогеодинамічними ознаками. 4. Визначення стану схилу на основі розрахунку коефіцієнта стабільності, запропонованого автором. 5. Прогноз можливості зміни інженерно-геологічних умов. При цьому застосовувались польові, лабораторні, експериментальні дослідження, математичне моделювання. Розроблено новий метод оцінки стану стійкості схилу на основі визначення показників стабільності та розрахунку коефіцієнта стабільності. Для прогнозу можливої зміни інженерно-геологічних умов застосовувався метод індикаторів, у ролі яких і використовувались показники стабільності схилу.

Розділ 3. Фактори формування інженерно-геологічних умов схилу. Просторово досліджувана ділянка між долинами Либіді і Сирцю відповідає активній антиклінальній структурі - Печерському горсту, швидкість підняття якого становить 2 мм/рік, а перевищення у кристалічному фундаменті складає 30-60 м. Приуроченість до цієї тектонічної структури, особливості клімату, геоморфології, геологічного середовища та значне техногенне навантаження і формують, інженерно-геологічні умови цієї території.

Рельєф представлений акумулятивним (алювіальні тераси Дніпра, Либіді, Сирцю і струмків, пролювіальні форми рельєфу) і акумулятивно-денудаційним (схилові поверхні ерозійних останців лесової рівнини і яружно-балкових систем) типами.. Гідрографічна мережа складається із дрібних річок (Либідь, Сирець, Почайна), водотоків балок і ярів.

Досліджувана ділянка схилу складена четвертинними, неогеновими та палеогеновими відкладами. Четвертинна система (Q) представлена континентальними відкладами різного генезису: делювіально-зсувними грунтами, алювіальними, алювіально-делювіальними, пролювіальними та техногенними відкладами, грунтами в корінному заляганні (лесовидні супіски і суглинки, похований грунт, над- і підморенні флювіогляціальні піски і супіски, моренні супіски і суглинки, прісноводні суглинки, бурі глини). Неогенова система (N) складена товщею строкатих глин із прошарками кременистої глини та відкладами полтавської світи (глина, суглинок, супісок, пісок, каоліновий пісковик, вуглиста глина). Палеогенова система (P) представлена відкладами харківської (новопетрівської) (пісок, супісок, суглинок), київської (обухівської) (суглинок, глина мергельна, супісок, пісок) та бучакської (пісок) світ.

Грунтові води містяться у четвертинних делювіально-зсувних грунтах та в низах лесової товщі, у над- і підморенних прісноводних і флювіогляціальних відкладах, олігоценових і міоценових відкладах харківської серії (P3 hr – N1pt). Товща бурих та строкатих глин (N1ps-Q1) є водотривом для водоносних горизонтів над- і підморенних та лесових відкладів, товща мергельних глин київської світи (P2kv) - для водоносного горизонту олігоценових і міоценових відкладів харківської серії.

За розробленою автором класифікацією грунтів за їх впливом на розвиток зсувних процесів на схилі на основі показників міцнісних властивостей (модуль деформації (Е), питоме щеплення (С), кут внутрішнього тертя ()) та реальної “поведінки” у зсувному процесі виділено шість основних типів: активні, активно-нейтральні, нейтральні, умовно нейтральні, стабілізуючі, закріпляючі [1, 3, 4]. Активні грунти (прісноводний, моренний суглинок, суглинок харківської і наглинок київської світи) мають найнижчі фізико-механічні показники (Е=12-16 МПа, С=14-16 КПа, =12-140), дуже вологоємні та водомісткі, важко віддають воду. При зволоженні, а вони практично завжди містять воду, їх опір зрушенню наближається до нуля. Вони легко розмиваються і видавлюються, сповзаючи по зволоженій поверхні залягаючих нижче глин. Особливо небезпечні ділянки схилу з двома прошарками прісноводного суглинку. Активно-нейтральні (лесовидні супіски і суглинки, бурі глини та верхній горизонт строкатих глин) в природному стані міцні і досить стійкі, проте, під дією змінного зволоженні та іншого атмосферного або техногенного впливу швидко втрачають структуру, руйнуються, що призводить до розвитку ерозійно-гравітаційних процесів. Для глин цього типу характерні Е=23-24 МПа, С=94-95 КПа, =15-170, для суглинків відповідно Е=16-18 МПа, С=18-22 КПа, =25-300. Нейтральні грунти (полтавські піски) сповзають лише в умовах підрізання. Умовно нейтральні (флювіогляціальні та харківські піски) участі у розвитку ерозійно-гравітаційних процесів практично не приймають, але грунтові води, що в них містяться, зволожують контактуючі товщі, знижуючи їх міцнісні показники та спричиняють розвиток суфозії. Для пісків цих типів характерні Е=30-35 МПа, С=2 КПа, =31-340. Стабілізуючі (нижній горизонт строкатих глин, полтавські та мергельні глини) характеризуються високими фізико-механічними показниками та значним опором зрушенню (Е=25-28 МПа, С=95-103 КПа, =15-170). Закріпляючими схил можна вважати пісковики та кременисті глини в товщі строкатих глин, які затримують руйнування вищезалягаючих порід, забезпечуючи стабільність схилу (Е=53 МПа, С=1100 КПа, =360).

Особливості рельєфу, мікроклімату, літології грунтів, гідрогеологічних умов при значному техногенному навантаженні зумовлюють зміну інженерно-геологічних умов та розвиток екзогенних геологічних процесів природно-техногенного походження, серед яких переважають ерозійно-гравітаційні (зсувні ), ерозійні (площинна та лінійна ерозія), суфозійні (провальні вирви, суфозійні ніші), просадні, гравітаційні (осипи полтавських пісків, обвали лесового уступу), підтоплення і заболочення [5, 7, 8, 9]. Особливості розвитку екзогеодинамічних процесів, що є характерним індикатором зміни інженерно-геологічних умов схилових території, детальніше будуть розглядатися в наступних розділах.

Розділ 4. Особливості формування інженерно-геологічних умов схилу під впливом господарської діяльності. За переважаючими напрямками техногенного впливу на трансформацію інженерно-геологічних умов в процесі урбанізації були визначені 4 періоди (табл. 1). До зміни інженерно-геологічних умов в процесі освоєння схилу призводили техногенна трансформація гідрографічної мережі, рельєфу, рослинного покриву, умов дренування грунтових вод [2]. При цьому вирізнились основні напрямки техногенного впливу: ліквідація негативних форм рельєфу (ЛНФР), влаштування шляхів сполучення (ШС), кар’єрних виробок (КВ), підземних пустот (ПП), поховань (ПХ), підземних водонесучих комунікацій (ПВК), ДШС, утворення техногенних відкладів (ТВ), каналізування поверхневих водостоків (КПВ), спорудження будівель на стрічкових (БСФ) та пальових (БПФ) фундаментах, визначені функціональним використанням території (табл.2). Техногенна трансформація гідрографічної мережі мала як позитивний, так і негативний вплив на інженерно-геологічні умови та стабільність схилу. Перекриття Чорториї (1850-1873) призвело до заглиблення основного русла Дніпра та підсилення бокової ерозії, активізації ерозійно-гравітаційних процесів в кінці ХІХ на початку ХХ ст. на ділянці схилу від яру Хрещення до Наводницької балки, і до відходу русла від правого берега південніше Наводницької балки з утворенням Видубецького озера. Спорудження грунтової, а згодом гранітної Набережної (1935-1938), утворення штучної заплавної тераси (Наводницький парк (1950-1951) припинило бокову ерозію схилу і дало можливість його залісити. Гранітна набережна, забезпечивши надійний захист від річкової ерозії, створює баражний ефект, що у свою чергу призводить до підняття рівня грунтових вод, підтоплення території, активізації екзогенних процесів на схилі. Створення каскаду водосховищ (Київське (1966 р.), Канівське (1974 р.)) сприяло ліквідації повеней, зниженню швидкості течії Дніпра, проте призвело до підняття рівня води у Дніпрі та до обміління дрібних приток внаслідок підняття базису ерозії, підвищення рівня грунтових вод внаслідок підпору. Каналізація русел дрібних поверхневих водотоків сприяла послабленню і припиненню бокової ерозії, проте значно погіршила умови дренування ґрунтових вод внаслідок баражного ефекту та призвела до підняття їх рівня, підтоплення території, обміління та зникнення водотоків.

Основні етапи освоєння схилу Таблиця 1

Період | Основні напрями техногенного впливу

І

(IV-XIII ст.) | Знищення лісів на плато, спорудження культових споруд на стрічкових фундаментах, оборонних валів і ровів, влаштування підземних пустот (печер, ходів, криптів), кар’єрних виробок біля підніжжя схилу | II

(XIV-XVIIIст.) | Влаштування масивних оборонних споруд із винищенням лісів (Печерська фортеця), перші спроби спорудження ДШС та ліквідації негативних форм рельєфу. | III

(1800-1933рр.) | Інтенсивна забудова присхилових ділянок плато спорудами на стрічкових фундаментах, влаштування кар’єрних виробок вздовж схилу, спорудження ДШС, підземних водонесучих комунікацій, шляхів сполучення (узвозів) із твердим покриттям (Микільський, Олександрівський), ґрунтової Набережної, перекриття Чорториї і спрямування основної течії Дніпра до правого берега. | IV

(1934-2000рр.) | Створення водосховищ, заміна дерев’яного кріплення ДШС залізобетонним, залісення і впорядкування схилу. Влаштування численних узвозів із твердим покриттям, каналізування поверхневих водотоків, ліквідація ерозійних форм рельєфу, спорудження будівель на пальових фундаментах. | Наявність деревної рослинності на схилі позитивно впливає на його стійкість скріплюючи і армуючи нещільні грунти, затримуючи надходження надмірної вологи. Значних техногенних перетворень зазнав рельєф схилу внаслідок: нівелювання поверхні, ліквідації негативних форм рельєфу, планування території для влаштування шляхів сполучення, запобігання розвитку гравітаційних процесів, господарського використання, будівництва, накопичення техногенних відкладів; збільшення різниці абсолютних відміток сусідніх мікроелементів рельєфу (оборонні споруди; кар`єри); зміни підземної сфери при незмінних абсолютних відмітках поверхні (печери; ДШС; споруди метрополітену; підземні комунікації).

Особливості формування інженерно-геологічних умов Таблиця 2.

ділянок різного функціонального використання |

Культова забудова | Промислова забудова | Житлова забудова | Лісопаркова зона | Шляхи сполучення

Техногенний

вплив | ПП, БСФ, ЛНФР, ТВ, ПХ, ДШС, ПВК | БСФ, БПФ, ПВК, ТВ, КВ, КПВ | БСФ, БПФ, ДШС, ПВК, КПВ, ТВ | ЛНФР, ДШС, ШС | ЛНФР, ТВ, ШС | Основні чинники дестабілізації | Витоки із ПВК, аварійний стан ДШС, ослаблення грунтових масивів над ПП | Підрізання, привантаження схилу, витоки із ПВК, акумуляція атмосферних вод ТВ | Витоки із ПВК, аварійний стан ДШС, підрізання схилу, розкопування і полив схилу | Аварійний стан ДШС, порушення поверхневого стоку ТВ, поваленими деревами, підрізання схилу стежками | Підрізання схилу | Особливості формування інженерно-геологічних умов | Наявність і руйнування ПП, перезволоження витоками із ПВК активізує суфозію, просідання лесових грунтів, призводить до зрушення грунтів та деформації споруд | Звалища ТВ сприяють акумуляції поверхневого стоку; витоки із ПВК-до підтоплення | Витоки із ВПК сприяють розвитку просідних процесів у лесових грунтах та деформації споруд; ТВ, розкопування, полив схилів підрізання його стежками призводять до розвитку лінійної ерозії, зсувів | Кореневі системи дерев армують схил та регулюють надходження атмосферних вод у грунт, проте танення снігу, що скидався з забудованих територій, ТВ, повалені дерева сприяють акумуляції атмосферних вод та перезволоженню грунтів | Підрізання схилів часто призводить до розвитку зсувних процесів. Планування схилу, тверде покриття сприяють врегулюванню поверхневого стоку | Екзогенні геол. процеси | суфозійні, ерозійні, зсувні, підтоплення | зсувні, підтоплення | зсувні, ерозійні, підтоплення, суфозійні | ерозійні, зсувні | зсувні

Техногенна трансформація рельєфу супроводжується порушенням природного стану схилу і накопиченням на поверхні чи у підземних пустотах техногенних відкладів із значно зниженими, порівнюючи із природними, міцнісними властивостями, що призводить до зміни інженерно-геологічних умов та зниження загальної стійкості схилу та інтенсифікує розвиток екзогенних процесів. Проте, прокладання шляхів сполучення із твердим покриттям поряд із негативним впливом (підрізання схилу, насипні грунти) сприяє урегулюванню поверхневого стоку та зменшенню інтенсивності лінійної ерозії. За розрахунком на основі розробленої автором схеми поширення техногенних відкладів (рис.1), їх об’єм на схилі становить близько 1 млн.м3.

Рис. 1 Схема поширення техногенних відкладів на схилі: 1-межі досліджуваної ділянки схилу; потужність техногенних відкладів: 2 - 0-5 м; 3 – 5-10 м; 4 – 10-20 м; 5 - > 20 м. (За даними ВАТ “Київпроект)

Техногенне порушення природного режиму грунтових вод, що призвело до підняття їх рівня, було викликане, поряд із згаданими вище причинами, поливом зелених насаджень, втратами із підземних водонесучих комунікацій. До покращення умов дренування ґрунтових вод та до зниження їх рівня призвело влаштування біля підніжжя схилу починаючи із ХІ ст. кар'єрних виробок та, починаючи із кінця ХVІІІ ст. спорудження ДШС. Лише за період 1924 - 1941 р. на схилі було влаштовано 16 тис. м глибоких штольневих дренажів і 8 тис. м колодязів над ними. За призначення і місцем закладення ДШС можна розділити на три групи: 1- на плато для дренування ґрунтових вод над товщею бурих і строкатих глин; 2- на схилі для дренування ґрунтових вод над товщею мергельних глин; 3-на ерозійно-структурній терасі для дренування ґрунтових вод над бурими і строкатими глинами.

Для визначення умов функціонування та експлуатації ДШС, спостереження за явищами, що відбуваються у штольнях, колодязях та дослідження їх впливу на інженерно-геологічні умови і стабільність схилу, у 2002 р. виконувався комплекс обстежень з експериментальними дослідженнями виробок ДШС-16, ДШС-27біс, ДШС-27 та витоків з цих систем. При цьому було встановлено, що негативними наслідками функціонування ДШС на схилі є розвиток механічної та хімічної суфозії, що призводить до зрушень поверхні землі, утворення провальних вирв; порушення цільності грунтового масиву, ослаблення та зменшення його стійкості. Із фондових матеріалів інженерно-геологічних вишукувань відомі численні випадки розвитку екзогенних процесів (зсувів, лінійної ерозії, просідань, суфозійних провалів, тощо), пов`язаних із технічними помилками при спорудженні ДШС, їх занедбаністю та аварійним станом.

Розділ 5. Режим екзогенних процесів на схилі (1939 – 2000 рр.). На основі аналізу і систематизації більш як 400 фондових і літературних даних про екзогенні процеси на схилі за період з 1939 по 2000 рр., встановлено наступне.

Природними чинниками, що викликають розвиток екзогенних процесів на схилі, є атмосферні води (24%), талі снігові (4%) та грунтові води (3%). Вплив грунтових вод досить незначний і відчувається лише у весняний період. Техногенні чинники розвитку екзогенних процесів представлені в першу чергу витоками із підземних водонесучих комунікацій (12%), незадовільним станом ДШС (19%), в меншій мірі привантаженням брівки схилу, підрізанням, розкопуванням схилу, аварійним станом водовідводів, неорганізованими пішохідними доріжками, хибною конструкцією підпірних стінок, звалищами відходів.

За інтенсивністю розвитку зсувних процесів (рис.2), співвідношенням техногенних і природних чинників та за визначальними техногенними чинниками період з 1939 по 2000 рр. автором розділено на 4 етапи. 1-й 1939-1959 рр, 2-й 1960-1970 рр, 3-й 1971-1981, 4-й 1982-2000 рр. При цьому спостерігається чітка тенденція до зниження інтенсивності зсувоутворення починаючи з середини 60-х років ХХ ст., що пояснюється залісенням схилу у 1954–56 рр.; зниження ролі ДШС як дестабілізуючого фактора з 28 % до 2% у зв`язку із переобладнанням їх залізобетоном та збільшення негативного впливу водонесучих комунікацій з 7% до 20 % у зв'язку із віковим погіршенням їх стану. Частка техногенних факторів неухильно зростає від 61% до 91 % (рис.3). Спостерігається залежність співвідношення техногенних і природних чинників дестабілізації від кліматичних умов. Найбільша інтенсивність зсувоутворення характерна для весняного періоду. Частка техногенних чинників також зростає у весняно-літній період. Витоки із комунікацій залишаються постійнодіючим фактором у різні пори року (табл.3).

Стан наземних споруд є важливим показником зміни інженерно-геологічних умов та розвитку екзогенних геологычних процесів. Найчастіше до значних деформацій, а інколи і до руйнування споруд, призводять зсуви та суфозія, що пов`язано із наявністю підземних пустот (печер, ДШС, комунікацій) та техногенним перезволоженням. Розвиток процесів просідання, пов`язаних із властивістю лесових порід, що залягають в основі фундаментів більшості споруд, призводить до значно менших деформацій, які протікають повільніше і проявляються частіше у вигляді незначних тріщин.

Особливості розвитку зсувних процесів у різні пори року Таблиця 3.

Пора року | Весна | Літо | Осінь | Зима

Кількість зсувів, % | 61 | 8 | 15 | 16 | Природні чинники, %:

Із них: атмосферні води

талі снігові води

грунтові води | 46

32

7

7 | 18

18

-

- | 50

50

-

- | 43

43

-

- | Техногенні чинники, %:

Із них: вихід із ладу ДШС

витоки із підземних комунікацій

підрізання схилу

інші | 54

7

18

6

23 | 72

-

28

18

26 | 50

15

20

5

10 | 57

14

43

-

- |

Розділ 6. Типізація схилу за особливостями інженерно-геологічних умов. При дослідженні інженерно-геологічних умов схилу (район) визначені 5 підрайонів за особливостями геолого-геоморфологічних та езогеодинамічних ознак. За станом стійкості інженерно-геологічних умов в межах підрайонів виділені ділянки (рис.4), що детальніше буде розглядатися у розділі 7.

Рис. 4. Схема типізаці схилу за інженерно-геологічними умовами: 1 – Кст < 20; 2 – Кст = 21-25; 3 – К ст =26 – 30; 4 – Кст = 31-35; 5 – Кст > 35; 6 – межі району; 7 -межі підрайонів, визначені за геолого-геоморфологічними та екзогеодинамічними ознаками; 8 - межі ділянок визначені за коефіцієнтами стабільності; 9 – номери ділянок.

За основні критерії виділення підрайонів приймалися потужність товщ активних грунтів з низькими міцнісними властивостями, характерні форми рельєфу, ширина алювіальної тераси (табл.5). При цьому були розроблені схеми утворення ярів різної форми та вперше дана характеристика тераси на схилі як ерозійно-структурної, а її походження пов`язане із розвитком циркоподібних ярів на основі різних фізико-механічних властивостей грунтів верхньої і нижньої частин схилу.

Для Видубецького підрайону (Либідь – Наводницька балка) характерними є наявність у розрізі товщ похованого грунту (0,9-1,8 м) та моренного суглинку (1,9-7,2 м) та розвиток провальних вирв завдяки потужній товщі лесових грунтів (до 16 м), ширина алювіальної тераси досягає 2,0 км. У розрізі Залаврського підрайону (Наводницька балка - Лаврський яр) відсутні активні товщі грунтів, ширина алювіальної тераси значно менша і складає 0,05-0,1 км. При цьому особливих форм рельєфу не спостерігається. Для Лаврського підрайону (Лаврський яр - яр Хрещення) характерна наявність усіх активних товщ грунтів: похований грунт (0,2-1,6 м), моренний суглинок (2,8-6,2 м), на деяких ділянках прісноводний суглинок залягає двома шарами (1,0-9,4 м)– над і в бурих глинах, ширина алювіальної тераси зменшується до 0,01 км. При цьому для цього підрайону характерними формами рельєфу є наявність ерозійно-структурної тераси над товщею бурих і строкатих глин, циркоподібних ярів та вододільних ділянок між ними. У розрізі Старокиївського підрайону (яр Хрещення - Глибочицька балка) спостерігається наявність моренного (2,5-6,8 м) та прісноводного (0,7-3,5 м) суглинку, а для рельєфу характерні “столові гори” – ерозійні останці лесової рівнини. Ширина алювіальної тераси становить 1,5 км. Для Подільського підрайону (Глибочицька балка - Сирець) активні товщі грунтів не характерні. Ширина алювіальної тераси досягає 6,0 км. В рельєфі чітко виражені розгалужені яри.

Для Видубецького підрайону, що зайнятий в основному Ботанічним садом НАНУ, основним дестабілізуючим чинником є невпорядковане стікання поверхневих вод (23%); для Залаврського, де виконувались будівельні роботи при споруджені монументу, - привантаження схилу (19%), для Центрального, перенасиченого підземними дренажами, - вихід із ладу ДШС (32%), для Старокиївського, зайнятого в основному житловими будинками, - витоки із підземних водонесучих комунікації (15%), для Подільського - підрізання схилу кар`єрними виробками (14%), що чітко пов`язано із функціональним використанням цих територій.

Розділ 7. Моніторинг схилу. Для вчасного виявлення дестабілізуючих чинників, їх ліквідації чи зменшення негативного впливу та забезпечення довгострокової стабільності схилу автором розроблена методика оперативного встановлення стану інженерно-геологічних умов схилу на основі розрахунку коефіцієнта стабільності. Коефіцієнт стабільності розраховується як сума кількісних значень 20 показників стабільності, кожен з яких має 4 стани, виражені у кількісній формі (індиферентний =0, незначний вплив = 1, досить значний дестабілізаційний вплив = 2, реальна загроза стабільності =3). При розробці системи показників враховувались як властивості самого об`єкта, так і зовнішні фактори дестабілізації (морфологія схилу, наявність у розрізі активних товщ грунтів, потужність делювіальних грунтів, потужність техногенних відкладів, присутність водоносних горизонтів, наявність виходів грунтових вод на схилі, інтенсивність розвитку екзогенних процесів, стан дернового покриву, стан деревної рослинності, впорядкованість схилу, наявність та стан ДШС, наявність та стан підземних водонесучих комунікацій, стан поверхневих водовідводів, стан споруд на схилі, стан протизсувних заходів, планування схилу, підрізання схилу, наявність звалищ відходів, наявність поховань, наявність підземних печер).

За коефіцієнтами стабільності 11 характерних ділянок схилу визначено 5 основних типів стану схилу (рис. 4): стабільний (Кст<20), досить стабільний (Кст=21-25), відносно стабільний (Кст =26-30), нестабільний (Кст=31-35), загрозливий (Кст>35). Для ділянок у стабільному стані практично всі показники стабільності мають незначний негативний вплив, або індиферентні. Для ділянок, стан інженерно-геологічних умов яких досить стабільний та відносно стабільний, характерна наявність декількох показників із досить значним дестабілізуючим впливом. Для нестабільного стану – значна кількість показників мають значний дестабілізуючий вплив, а деякі з них (аварійний стан підземних водонесучих комунікацій, підрізання схилу тощо) – реальну загрозу стабільності. Для ділянок у загрозливому стані значна кількість показників виявляє реальну загрозу стабільності. При цьому стан інженерно-геологічних умов схилу визначає необхідну частоту контролю (обстеження підземних та поверхневих споруд, тощо). Для запобігання розвитку екзогенних геологічних процесів, ліквідація виявлених дестабілізуючих чинників на ділянках у нестабільному та загрозливому стані повинна виконуватись терміново, зразу після їх виявлення.Прогноз можливості зміни інженерно-геологічних умов та рекомендована частота моніторингу для типових ділянок за стабільністю інженерно-геологічних умов наведені в таблиці 4.

Прогноз можливості зміни інженерно-геологічних умов схилу Таблиця 4.

етодом визначення коефіцієнта стабільності (Кстб)

Ді-лян-ка | Тип стану стій-кості | Кстб | Основні дестабілізуючі чинники | Прогноз можливості зміни інженерно-геологічних умов | Рекомендації щодо забезпечення стабільності схилу | Частот. контролю

I | Ста-більний | 15-20 | Виходи грунтових вод, заболочене підніжжя схилу, захаращений схил, невпорядковане стікання поверхневих вод |

Стан ділянки стабільний, прогноз сприятливий у разі відсутності техногенного втручання, впорядкування рослинного покриву та стікання поверхневих вод |

Ліквідувати звалища відходів, залишки деревної рослинності | 3 роки

II | Досить стабіль-ний | 21-25 | Водонесучі комунікації, ДШС, аварійний стан водовідводів поверхневих вод, наявність підземних пустот | Стан ділянки досить стабільний. Занепокоєння викликає незначна деформація споруди Іонівського монастиря. Прогноз сприятливий за відсутності аварійних витоків з водонесучих підземних комунікацій, розорювання та поливу схилу |

Контроль за станом водонесучих підземних комунікацій, використанням схилу |

Те ж

III |

Те ж | 21-25 | Захаращеність схилів залишками деревної рослинності, виходи грунтових вод та заболочення нижньої частини схилу | Стан ділянки досить стабільний. Прогноз сприятливий при відсутності техногенних втручань | Ліквідація заболочень біля підніжжя схилу, каптування джерел, впорядкування схилу |

“

IV | Ста-більний | 15-20 | Привантаження схилу, невпорядковане стікання поверхневих вод | Прогноз сприятливий у разі відсутності техногенного втручання, витоків із водонесучих комунікацій, впорядкування поверхневого стоку | Впорядкування поверхневого стоку та нижньої частини схилу |

“

V | Неста-більний | 31-35 | ДШС, водонесучі комунікації, наявність підземних пустот | Стан ділянки викликає занепокоєння через значну кількість дестабілізуючих факторів, інтенсивність техногенного впливу, тривалість освоєння. Можливе порушення рівноваги схилу в разі раптових втрат з водонесучих комунікацій, іншого техногенного втручання | Постійний контроль за станом ДШС, водонесучих комунікацій, термінова ліквідація дестабілізуючих чинників | 4 місяці | VI | Віднос-но ста-більний | 26-30 | ДШС, водонесучі комунікації, невпорядковане стікання поверхневих вод, підрізання | Можливе порушення рівноваги при аварійному стані ДШС, втратах з водонесучих комунікацій, підрізанні схилу у разі несанкціонованого техногенного втручання

Постійний контроль за станом ДШС, рослинним покривом, ліквідація дестаб. факторів | 2 роки | VII |

Те ж26-30 | ДШС, водонесучі комунікації, невпорядковане стікання поверхневих вод, підрізання | Можливе порушення рівноваги при аварійному стані ДШС, втратах з водонесучих комунікацій, підрізанні схилу | Те ж | Те ж | VIII | Загрозли-вий | 36-53 | Водонесучі комунікації, захаращеність схилів, невпорядковане стікання поверхневих вод, підтоплення, заболочення | Стан ділянки викликає занепокоєння у зв’язку з невпорядкованістю схилів, значним техногенним навантаженням (споруди житлові та іншого призначення), руйнування старої забудови, що викликає постійне порушення рівноваги на схилі | Термінове впорядкування схилу, ліквідація дестабілізуючих факторів, контроль за будівельними роботами | 3 місяці | IX | Відносно стабіль-

ний | 26-30 | Підрізання схилу кар’єрними виробками | Можливе порушення рівноваги при підрізанні схилу, невпорядковане стікання поверхневих вод, їх акумуляції у звалищах відходів, несанкціонованому техногенному впливі | Контроль за станом схилу | 2 роки | X |

Те ж | 26-30 | Невпорядковане стікання поверхневих вод, захаращеність схилу | Можливе порушення рівноваги при підрізанні схилу, невпорядкованому стіканні поверхневих вод, їх акумуляції у звалищах відходів

Контроль за станом схилу, впорядкування рослинного покриву | Те ж | XI |

“ | 26-30 | Невпорядковане стікання поверхневих вод, захаращеність схилу, підрізання | Можливе порушення рівноваги при підрізанні схилу, невпорядкованому стіканні поверхневих вод, їх акумуляції у звалищах відходів | Контроль за станом схилу, впорядкування рослинного покриву, ліквідація відходів |

“ |

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Проведене детальне дослідження факторів формування інженерно-геологічних умов правобережного схилу долини Дніпра в районі Києва та їх трансформації в процесі урбанізації (фізико-географічні, геолого-тектонічні, геоморфологічні, гідрогеологічні, екзогеодинамічні та техногенні).

2. На основі розробленої автором класифікації грунтів схилу за впливом на розвиток екзогенних процесів визначені активні, активно-нейтральні, нейтральні, умовно-нейтральні, закріпляючі, стабілізуючі товщі. Із наявністю у розрізі різних типів грунтів пов`язані особливі форми рельєфу (циркоподібні яри, ерозійно-структурна тераса, розгалужені яри).

3. Техногенна трансформація гідрографічної мережі, рослинного покриву, рельєфу, умов дренування грунтових вод на схилі мала як негативний так і позитивний вплив на інженерно-геологічні умови схилу.

4. Техногенне перетворення рельєфу супроводжується порушенням природного стану схилу, накопиченням на поверхні чи у підземних пустотах техногенних відкладів із низькими міцнісними властивостями, що призводить до зміни інженерно-геологічних умов та зниження стабільності. За розрахунком на основі розробленої автором карти-схеми поширення техногенних відкладів у масштабі 1:25000 об’єм насипних і намивних грунтів на схилі перевищує 1 млн. куб. м.

5. Особливості формування інженерно-геологічних умов, інтенсивність розвитку екзогенних процесів, основні дестабілізуючі чинники залежать від функціонального використання території, яке визначає основні напрямки та інтенсивність техногенного впливу. За основними напрямками техногенного впливу в процесі урбанізації схилу визначені 4 періоди.

6. На основі аналізу та систематизації даних про розвиток екзогенних процесів на схилі за період 1939-2000 рр. встановлені основні чинники дестабілізації інженерно-геологічних