Текст книги "Инженерно-строительная геоэкология"

Валентин Егорович Ольховатенко, Наталья Анатольевна Чернышова
Инженерно-строительная геоэкология

© Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2016

© Ольховатенко В.Е., Чернышова Н.А., 2016

* * *

Введение

Инженерно-строительная геоэкология является новой междисциплинарной наукой, развивающейся на стыке геоэкологии и строительного дела. В свою очередь, по определению академика В.И. Осипова, «Геоэкология – также междисциплинарная наука, изучающая неживое (абиотическое вещество геосферных оболочек Земли), как компоненту окружающей среды и минеральную основу биосферы».

Объектом геоэкологии является неживое (костное и биокостное) вещество геосферных оболочек Земли (верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы).

Предметом геоэкологии является вся сумма знаний о геосферных оболочках и их изменениях под влиянием природных и техноприродных факторов, как многокомпонентных иерархически построенных динамических системах с многоступенчатыми процессами саморегулирования. К приоритетным направлениям в области геоэкологии В.И. Осипов относит:

1. Анализ изменений геосферы под влиянием природных и техноприродных факторов и разработка путей выявления этих изменений. Это направление включает:

– изменение ландшафтов урбанизированных территорий;

– изучение деформирования поверхности Земли в результате откачки воды, добычи нефти и газа;

– изучение подъема уровней подземных вод и подтопления территорий;

– исследование загрязнения поверхностных и подземных вод;

– изучение склоновых геодинамических процессов;

– изучение напряженно-деформированного состояния и температурного поля Земли;

– изучение загрязнения окружающей среды в результате накопления на её поверхности промышленных и бытовых отходов.

2. Рациональное использование водных, земельных, минеральных и энергетических ресурсов Земли.

3. Изучение природных и техно-природных процессов и явлений в геосферных оболочках Земли.

Объектом инженерно-строительной геоэкологии являются природно-технические системы.

Предметом инженерно-строительной геоэкологии является сумма знаний о природно-технических системах, изменении их состояния и устойчивости при техническом воздействии в процессе строительного производства. В задачу инженерно-строительной геоэкологии входит:

– проведение комплексных геоэкологических исследований урбанизированных территорий;

– оценка рисков в строительстве;

– оценка состояния и устойчивости природно-технических систем;

– разработка геоэкологических моделей урбанизированных территорий;

– проектирование и строительство объектов инженерной защиты;

– организация мониторинга природно-технических систем.

1. Понятие о природно-технических и геотехнических системах

Под природно-техническими системами (ПТС) понимается совокупность форм и состояний взаимодействия природной среды с инженерными сооружениями на всех стадиях их функционирования.

Под геотехническими системами (ГТС) понимается совокупность форм взаимодействия геологической среды с техническими сооружениями.

Под состоянием ГТС понимается её способность к функционированию. Нормальное функционирование ГТС будет обеспечено при условии работы технических сооружений в строгом соответствии с проектным режимом.

Равновесие ГТС определяется динамичностью природной и надежностью технической составляющих. В свою очередь, надежность технической составляющей определяется режимом эксплуатации сооружений, состоянием природной составляющей и характером её влияния на инженерные сооружения.

Под опасностью состояния ГТС понимается развитие неблагоприятных геологических процессов для строительства и эксплуатации, крайняя степень интенсивности которых может привести к возникновению чрезвычайных ситуаций. Критерии оценки состояния ГТС приведены в таблице.

Критерии оценки ГТС

2. Управление состоянием геотехнической системы

Цель управления – обеспечение равновесного функционирования ГТС в соответствии с заданным режимом.

Важными задачами при этом являются:

– обоснование различных видов и объемов изыскательских работ и их оптимальное размещение;

– предупреждение неравновесного состояния ГТС и её элементов;

– обоснование мероприятий по выведению ГТС из неравновесного состояния при возникновении критических ситуаций.

Выделяются два способа управления ГТС – геоинформационный и технический (рис. 2.1).

Технический способ управления предполагает регулирование режима функционирования системы в зависимости от характера и степени динамичности природной составляющей, а также от несущей способности оснований и состояния технической составляющей.

Геоинформационный способ управления предполагает разработку норм проектирования ГТС, разработку проектных решений, обоснование технологий строительства и эксплуатации ГТС.

Геотехнические исследования осуществляются на всех этапах создания и функционирования ГТС и включают кадастровые, динамические и проектные исследования.

Рис. 2.1. Структура управления ГТС

Разработана общая классификация геотехнических систем по типу техногенных воздействий на геологическую среду (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Общая классификация ГТС по типу техногенного воздействия на геологическую среду

В группу транспортных ГТС входят железнодорожные, автодорожные, трубопроводные, а также ЛЭП. Общими признаками этих систем являются линейное протяжение, большие объемы земляных работ, выполненных при их сооружении и сложность в эксплуатации.

К группе гидротехнических и водохозяйственных ГТС относятся плотины, причальные сооружения, водоотводные каналы тоннелей и водохранилища.

Общей проблемой при функционировании этих ГТС является разрушительное действие водных потоков, что приводит к разрушению берегов и развитию опасных геологических процессов.

К промышленным ГТС относят ресурсоперерабатывающие сооружения: горно-металлургические и горно-обогатительные комбинаты, топливно-энергетические и лесоперерабатывающие комплексы.

Промышленная ГТС содержит в себе элементы транспортных, гидротехнических и водохозяйственных ГТС.

Сельскохозяйственная ГТС включает различные формы взаимодействия агропромышленного комплекса с геологической средой.

Селитебная ГТС представляет территории и места компактного проживания населения.

Рекреационная ГТС объединяет элементы, характерные для курортных, туристических и заповедных зон. Назначение рекреационных зон – создание экологически чистых ландшафтов местности как средств физического и эстетического оздоровления человека. В инфраструктуре таких ГТС присутствуют элементы транспортных, гидротехнических, водохозяйственных и сельскохозяйственных ГТС.

3. Урбанизация городов и ее воздействие на городскую среду

Источниками техногенных воздействий на окружающую среду в городах являются объекты промышленности, коммунального хозяйства, строительного производства, транспорт, свалки, складские зоны, кладбища.

Основными видами техногенных воздействий являются:

– физическое и механическое воздействие;

– химическое;

– биологическое.

Физическое воздействие включает статические, динамические (вибрационные), тепловые, электрические и электромагнитные формы воздействия.

Статические воздействия на геологическую среду оказывают все сооружения, нагрузки от которых передаются на грунтовые основания и фундаменты. В результате такого воздействия происходят изменения физико-механических свойств грунтов, что приводит к развитию осадок сооружений.

При проектировании зданий и сооружений необходимо провести предварительные инженерно-геологические изыскания и выполнить расчеты осадок сооружений.

Динамические воздействия возникают вблизи промышленных предприятий, строительных площадок, транспортных магистралей. Они связаны с работой машин и механизмов, применением взрывов при разработке карьеров строительных материалов.

Вибрационные воздействия приводят к изменению физико-механических свойств грунтов, деформированию зданий и сооружений, потере устойчивости откосов глубоких выемок.

Тепловое воздействие обусловлено работой ТЭЦ, АЭС, котельных, тепломагистралей, металлургических предприятий, хладокомбинатов и холодильных установок.

С ним связано изменение температурного поля грунтов, теплофизических свойств горных пород и подземных вод. В районах развития многолетней мерзлоты тепловое воздействие на мерзлые грунты приводит к деградации мерзлоты и способствует развитию термокарста и солифлюкции.

Электрическое воздействие на окружающую среду оказывают ТЭЦ, АЭС, ГРЭС, ЛЭП, электрокабели, электрические подстанции, промышленные предприятия, городской электротранспорт, электрифицированные железные дороги.

Электромагнитное воздействие городской среды связано с работой радиостанций, телецентров, ЛЭП высокого напряжения, промышленных установок, а также широким применением радио– и телеаппаратуры. Электромагнитное загрязнение возникает при изменении электромагнитных свойств природной среды и может привести к изменению биологических процессов как внутри организма, так и внутри самих природных сообществ.

Электромагнитные волны различной интенсивности проникают в жилые и общественные здания, угрожают здоровью человека, поражая сердечно-сосудистую, кроветворную и эндокринную системы.

Кроме этого, при изменении электромагнитного поля происходит нарушение структуры почв, замедляются геохимические процессы, изменяется биологический баланс организмов, населяющих почву.

Акустические, шумовые воздействия обусловлены такими источниками, как транспорт, промышленные установки, строительные машины и агрегаты, погрузочно-разгрузочные площадки, речные и морские порты, аэродромы, ТЭЦ, промышленные предприятия, железнодорожные узлы, коммунально-бытовые источники, спортивные сооружения. При кратковременном воздействии шума на организм человека сверх ПДУ он вызывает утомляемость; при более значительном воздействии может привести к снижению умственной активности, повышению артериального давления, расстройству пищеварения, неврозу, инфаркту, потере слуха.

Радиоактивное воздействие на ОПС и самого человека оказывают источники излучения радиоактивных веществ и ядерных материалов. К ним относятся АЭС, установки промышленного типа, научные медицинские приборы, а также хранилища радиоактивных отходов. Продукты распада радиоактивных веществ загрязняют атмосферу, гидросферу, биосферу, попадая в почву, пищу животных и людей. Они способны вызывать радиоактивное поражение, необратимые изменения клеток и тканей, заболевания крови и раковые опухоли.

Химическое воздействие на природную среду связано с работой промышленных предприятий, теплоэнергетических объектов, агропромышленных комплексов, коммунального хозяйства, очистных сооружений, нефтеперерабатывающих комплексов, химико-фармацевтических производств, пищевой промышленности, хранилищ промышленных отходов и т. д. Оно выражается в химическом загрязнении атмосферного воздуха, гидросферы, почв и др.

Биологическое воздействие на окружающую природную среду выражается в биологическом загрязнении, которое оказывают промышленные предприятия, канализационные сети, отстойники, свалки бытовых и промышленных отходов, кладбища.

Большую группу источников биологического воздействия образуют предприятия тяжелой, нефтеперерабатывающей, текстильной, пищевой и микробиологической промышленности. Эти объекты могут поставлять в водоёмы, почвы, грунты и подземные воды болезнетворные микробы, грибки, вирусы, бактерии, продукты жизнедеятельности человека и животных.

4. Изменение геологической среды под влиянием различных видов воздействий

4.1. Изменение геологической среды под влиянием гражданского строительства

Под влиянием гражданского строительства геологическая среда испытывает:

– статическое воздействие на грунтовое основание от зданий и сооружений;

– динамическое воздействие от движения транспорта и строительных механизмов и при устройстве свайного фундамента.

Это и приводит к изменению напряженно-деформированного состояния грунтового массива, физико-механических свойств грунтов, состояния грунтов, а также к развитию осадок грунтовых оснований, опасных геологических процессов и явлений.

4.2. Изменение геологической среды при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом

При разработке полезных ископаемых открытым способом происходят изменения следующих компонентов геологической среды:

– ландшафта местности;

– напряженно-деформированного состояния грунтового массива;

– физико-механических свойств пород, слагающих борта карьеров;

– гидрогеологических условий.

В результате этих изменений в бортах карьеров могут развиваться такие опасные геологические процессы, как оползни, обвалы, обрушения. Кроме этого, происходит нарушение режима движения подземных вод, ухудшается качество подземных вод, которые уже не могут использоваться для питьевого водоснабжения.

Нередко происходят нарушения устойчивости бортов карьеров.

4.3. Изменение геологической среды при подземном способе разработки месторождений полезных ископаемых

Подземный способ разработки полезных ископаемых влечет за собой ряд негативных в экологическом отношении процессов, связанных с изменением гидрогеологических условий (изменение режима, химического состава и температуры подземных вод); изменением напряженно-деформированного состояния горных пород, формированием горных ударов, обрушением кровли, проседанием поверхности земли и изменением ландшафтов; изменением температурного поля.

Атмосфера, а через неё почвы, растительность, поверхностные и подземные воды загрязняются за счет газопылевых выбросов, пылеотвальных горных пород, шлаконакопителей, а также за счет использования взрывчатых веществ, горения отвалов, фильтрации из накопителей жидких отходов.

4.4. Изменение геологической среды и состояния ГТС в районах развития многолетней мерзлоты

Сложность функционирования ГТС в районах многолетней мерзлоты связана с развитием опасных мерзлотных процессов и явлений. К таким явлениям относится морозное пучение, образование бугров пучения, термокарст, солифлюкция, образование наледей.

При освоении таких территорий происходят изменения следующих компонентов геологической среды:

– нарушение почвенного покрова в связи с активизацией термокарста;

– деградация многолетнемерзлых пород;

– изменение гидрогеологического режима рек, озер и различных водотоков.

Строительство в районах развития мерзлоты ведется с использованием двух принципов:

1) с сохранением мерзлого состояния пород;

2) без сохранения мерзлоты.

5. Инженерно-экологические исследования для обоснования строительства объектов

5.1. Определение понятий

Безопасность экологическая – это состояние природной среды, обеспечивающее экологический баланс в природе и защиту окружающей среды и человека от вредного воздействия неблагоприятных факторов.

Воздействие экологически вредное – это воздействие объекта хозяйственной или иной деятельности, приводящее к значительным, иногда необратимым изменениям в природной среде и оказывающее негативное влияние на человека.

Зона чрезвычайной экологической опасности – это часть территории, где в результате хозяйственной и иной деятельности происходят устойчивые отрицательные изменения в окружающей среде, угрожающие здоровью населения.

Компоненты природной среды – это составные части экосистем: воздух, поверхностные и подземные воды, недра (включая грунты и горные породы), почвы, растительный и животный мир.

Мониторинг ПТС – это система стационарных наблюдений за состоянием природной среды и сооружений в процессе их строительства и эксплуатации.

Нагрузка антропогенная – степень прямого и косвенного воздействия человека и его деятельности на природные комплексы и компоненты природной среды.

Обоснование экологическое – это совокупность доказательств и научных прогнозов, позволяющих оценить экологическую опасность намечаемой хозяйственной и иной деятельности для экосистем и в целом человека.

Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) – это определение характера, степени и масштаба воздействия объекта на окружающую среду и последствий такого воздействия.

Риск экологический – вероятность возникновения неблагоприятных для природной среды и человека последствий осуществления хозяйственной и иной деятельности.

Требования экологические – это комплекс ограничений по природопользованию и условий по сохранению окружающей среды в процессе хозяйственной деятельности человека.

Устойчивость природных систем к воздействию – это способность природных систем сохранять свою структуру и функциональные свойства при естественно-природном и антропогенном воздействии.

Экспертиза экологическая – установление соответствия намечаемой хозяйственной и иной деятельности экологическим требованиям и определение допустимости реализации объекта экспертизы с целью предупреждения возможных неблагоприятных экологических и социальных последствий.

5.2. Цель и задачи инженерно-экологических исследований

Целью инженерно-экологических исследований является получение информации, необходимой и достаточной для оценки современного состояния окружающей среды и прогноза возможных её изменений в результате техногенного воздействия.

Инженерно-экологические изыскания проводятся в соответствии с установленным порядком при разработке следующих видов документации:

1. Прединвестиционная документация (разработка концепций, программ, схем отраслевого и территориального развития, разработка схем инженерной защиты территорий).

2. Градостроительная документация (разработка генеральных планов городов, проектов детальной планировки, проектов застройки функциональных зон кварталов и участков города).

3. Проектная документация (разработка проектов, рабочей документации для строительства зданий и сооружений).

5.3. Виды и объемы инженерно-экологических изысканий

Виды и объемы инженерно-экологических изысканий зависят от особенностей природной обстановки, характера существующих и проектируемых антропогенных воздействий и меняются на различных стадиях проектно-изыскательских работ.

Для проведения инженерно-экологических изысканий составляется техническое задание, которое должно содержать:

– сведения по расположению конкурентных вариантов размещения объектов;

– объемы изъятия природных ресурсов;

– сведения о существующих и проектируемых источниках вредных экологических воздействий. При этом должно быть установлено место расположения, предполагаемая глубина воздействия, состав и содержание загрязняющих веществ, интенсивность и частота выбросов;

– общие технические решения и параметры проектируемых технологических процессов (вид и количество использованного сырья и топлива, их источники и экологическая безопасность, высота дымовых труб, систем очистки и др.);

– данные о видах, количестве, токсичности в системе сбора, складирования и утилизации отходов;

– сведения о возможных аварийных ситуациях, типах аварий, залповых выбросах, возможных зон и объектов воздействия, а также мероприятия по их предупреждению и ликвидации.

На основании технического задания составляется программа инженерно-экологических изысканий, которая должна содержать:

– краткую природно-хозяйственную характеристику размещения объекта, в том числе сведения о существующих и проектируемых источниках воздействия;

– данные об экологической изученности районов изысканий;

– сведения о зонах особой чувствительности территории к предполагаемым воздействиям и наличии особо охраняемых объектов;

– обоснование предполагаемых границ зоны воздействия;

– обоснование видов и объемов инженерно-геологических изысканий;

– обоснование методики выполнения отдельных видов работ.

5.4. Состав инженерно-экологических работ

В состав инженерно-экологических работ входит:

1. Сбор, обработка и анализ опубликованных и фондовых материалов природной среды.

2. Экологическое дешифрирование аэрокосмических материалов.

3. Маршрутное наблюдение с подробным описанием природной среды, источников и принципов загрязнения.

4. Проходка горных выработок для получения экологической информации.

5. Эколого-гидрологические исследования.

6. Почвенные исследования.

7. Геоэкологическое опробование и оценка загрязненности атмосферного воздуха, почв, грунтов, поверхностных и подземных вод.

8. Лабораторные химико-аналитические исследования.

9. Исследование и оценка радиационной обстановки.

10. Газогеохимические исследования.

11. Исследование и оценка химических воздействий.

12. Изучение растительности и животного мира.

13. Социально-экономические исследования.

14. Санитарно-эпидемиологические и медико-биологические исследования.

15. Стационарные наблюдения (экологический мониторинг).

16. Камеральная обработка материалов и составление отчета.