ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ

ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ

Б.Ф. Азаров

Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова

В процессе инженерного освоения территории при строительстве городов и промышленных районов человек оказывает в высокой степени концентрированное инженерно-геологическое воздействие на среду обитания. Геофизическая среда обитания охватывает обусловленные человеческой деятельностью физические явления в земной коре. В пределах крупных городов и промышленных центров влияние человека проявляется особенно сильно и концентрированно, поскольку им создаются значительные искусственные источники энергии, в т. ч. тепловой. К искусственным источникам тепловой энергии следует относить вентилируемые железобетонные кабельные туннели, сборные коллекторы и т д. (их наличие вызывает повышение температуры окружающей Среды до 10-45°С).

Интенсивная и плотная застройка территорий, асфальтирование и мощение улиц и площадей препятствует выходу избыточной влаги из грунта. Все это существенным образом искажает естественное температурное поле.

Совокупное воздействие множества тепловых объектов приводит к образованию чаши незамерзающего в зимнее время грунта под отапливаемыми зданиями и горячими цехами, обезвоживанию и усадке грунтов.

Изменение под воздействием высоких температур химического состава грунтовых вод, увеличение содержания в них соединений серы и углерода определяет возрастающую коррозионную активность грунта по отношению к находящимся в нем металлическим, бетонным и железобетонным сооружениям и конструкциям. В этой связи будет целесообразно определить зону влияния источника тепловой энергии на грунтовую толщу и оценить интенсивность этого влияния.

Как правило, территория современного города достаточно плотно насыщена инженерными, в т. ч. и подземными коммуникациями. Зачастую зоны геоэкологического влияния отдельных видов коммуникаций перекрываются между собой. Поэтому целесообразно определять совместное влияние близко расположенных видов инженерных коммуникаций на геологическую среду. Кроме того, необходимо по возможности учитывать при этом конкретное геологическое строение исследуемой территории.

Исследуемая территория является районом перспективной застройки юго-западной части г. Барнаула в пределах кварталов 2000, 2001, 2002. По геологическому строению исследуемая территория на глубину до 20 м может быть упрощенно представлена 3 литологическими комплексами пород (снизу вверх): толщей верхнечетвертичного субаэрального и нижнесреднечетвертичного отложения краснодубровской свиты, толщей суглинков лессовидных просадочных и толщей супесей лессовидной просадочной. Большинство из источников инженерных коммуникаций находятся в песчано-глинистой толще.

В этой связи целесообразно рассмотреть характер изменения температурного поля в песчаных и глинистых породах. В соответствии с этим выбраны усредненные значения коэффициента температуропроводности [2], равные 0,0016 м²/ч - для песка, 0,0024 м²/ч - для глины. Температура пород ниже зоны влияния сезонных изменений температуры равна 8°С.

При выбранных соотношениях параметров, характеризующих теплофизические свойства песка и глинистых грунтов, в песках, находящихся в зоне аэрации, аномальные явления температурного поля при одинаковом времени воздействия захватывают минимальные пространства по сравнению с глинистыми грунтами. В песчаных грунтах при температуре объекта 100°С зона повышенных значений температурного поля, приблизительно в 3 раза превышающих нормальную температуру грунта, прослеживается через месяц на расстоянии 2 м, через год - на расстоянии 2,5 м, через 10 лет - на расстоянии 3 м. В то же время в глинах при аналогичных интервалах времени зоны аномально высоких температур прослеживаются на расстоянии, соответственно, 8,5; 12; 25 м.

Таким образом, можно приблизительно оценить возможную величину зоны влияния источника или поглотителя тепловой энергии в породах различного литологического типа в зависимости от времени существования источника или поглотителя, с другой стороны, дать прогноз распространения характерных особенностей температурного поля.

Используя эти данные, рассчитаем “зоны теплового воздействия” для супесей и суглинков, принимая, что в супеси содержание песка 90-97%, глины - 3-10%, а в суглинке содержание глины - 30%, песка - 70%. Определим зоны влияния супеси (Звсп) и суглинка (Звсл) после 5 лет действия инженерных коммуникаций.

1. Звсп = 2,75 * 0,90 + 18,5 * 0,10 = 4,3 м;

Звсп = 2,75 * 0,97 + 18,5 * 0,03 = 3,2 м.

2. Звсл = 2,75 * 0,7 + 18,5 * 0,3 = 7,5 м.

Таким образом получили зоны влияния с учетом литологического состава грунта и они составили: для супесей - от 3,2 м до 4,3 м; для суглинков - 7,5 м.

Отсюда следует, что для коммуникаций максимальный размер “зоны теплового воздействия” в грунте (ее радиус) составляет от 3 до 8 м для грунтовых условий исследуемого участка.

Определим величину совместного влияния подземных коммуникаций на геологическую среду. В качестве примера рассмотрим коммуникации, проходящие под ул. Балтийской, на участке от ул. Шумакова до ул. Малахова (L = 1071 м, кв. 2001-2002). Ширина улицы вместе с тротуарами и газонами - 55 м; ширина проезжей части - 14 м. Под улицей, параллельной ей, проходят водопровод (стальная труба Æ800 мм на глубине 3,2 м от поверхности), ливневая канализация (ж/б труба Æ1200 мм на глубине 3,1-4,8 м от поверхности), теплотрасса (2 трубы Æ500 мм в ж/б лотках размером 1800´1200 мм). Расстояние от оси дороги ло оси водопровода - 13,4 м, от оси дороги до оси ливневой канализации - 3,4 м, от оси дороги до оси теплотрассы - 16,6 м. Между осями водопровода и ливневой канализацией - 16,8 м, между осями ливневой канализации и теплотрассы - 13,2 м (рис. 1).

Величину совместного влияния коммуникаций будем определять коэффициентом К_св:

К_св = r * (К_{в, т ср} + К_{лк, т ср} + К_{лк, в ср}), (2)

где К_{в, т ср} - среднее значение отношения площади совместного влияния водопровода и теплотрассы к площади квадрата;

К_{лк, т ср} - среднее значение отношения площади совместного влияния ливневой канализации и теплотрассы к площади квадрата;

К_{лк, в ср} - среднее значение отношения площади совместного влияния ливневой канализации и водопровода к площади квадрата;

r - коэффициент пропорциональности (r=2 для оценки попарного совместного влияния коммуникаций; r=3 для оценки совместного влияния трех коммуникаций и т. д.).

Коэффициенты К_ср определялись по формуле:

К_ср = S_общ / S_кв * 100%, (3)

где S_общ - площадь фигуры, ограничивающей зону совместного влияния двух видов коммуникаций, радиусы влияния которых накладываются друг на друга;

S_кв - площадь квадрата единичной площади.

Согласно данным работы [1] размеры зон геоэкологического влияния автомагистралей составляют от 40 до 100 м, для коллекторов инженерных коммуникаций - от 20 до 50 м. Тогда примем в качестве S_кв площадь поперечного сечения по оси дороги в местах расположения теплокамер: S_кв=55´55 м (по 27,5 м от оси дороги и на 55 м от дневной поверхности).

Рис. 1. Схема расположения подземных коммуникаций по ул. Балтийской.

Масштабы: горизонтальный 1:10000, вертикальный 1:1000

Радиусы зон влияния подземных коммуникаций R примем равным 20 м для каждого сечения. В этом случае S_общ будет вычисляться по формуле

S_общ = 2S_сегм = R²(j°/r° - Sin j), (4)

где j - центральный угол, стягиваемый хордой l;

S_сегм - площадь сегмента высоты h (рис. 2).

Для определения S_общ достаточно построить профиль поперечного сечения улицы (например, в местах расположения теплокамер), нанести в одинаковом вертикальном и горизонтальном масштабах плановое и высотное положение осей коммуникаций, провести окружности радиуса R и на профиле измерить величины h и l. Результаты расчетов S_общ сведены в табл. 2.

Рис. 2. Пересечение зон влияния 2-х коммуникаций: l - хорда; h - высота сегмента; R1 = R2 = R

Таблица 1 Подсчет коэффициентов совместного влияния для подземных коммуникаций по ул. Балтийской

№ теплока- меры	I: Площадь пересечения радиуса действия водопровода и теплотрассы		II: Площадь пересечения радиуса действия ливневой канализации и теплотрассы		III: Площадь пересечения радиуса действия ливневой канализации и водопровода
	м^2	%	м^2	%	м^2	%
1	123,05	4,07	412,94	13,65	376,70	12,45
2	111,76	3,69	419,48	13,87	384,24	12,70
3	118,11	3,90	410,57	13,57	387,91	12,80
4	107,65	3,56	418,44	13,83	383,98	12,70
5	117,23	3,88	426,56	14,10	389,48	12,88
6	114,19	3,77	429,69	12,20	381,12	12,60
7	114,67	3,79	416,22	13,75	392,94	12,99
8	113,66	3,76	422,32	13,96	372,86	12,33
9	116,02	3,84	405,00	13,39	369,00	12,20
среднее значение	Кв, т ср = 3,81%		Клк, т ср = 13,81%		Ккл, в ср = 12,63%

К_св = (К_{в, т ср} + К_{лк, т ср} + К_{лк, в ср}) ´ 2 = (3,81 + 13,81 + 12,63) ´ 2 = 60,5%

S_кв = 55 ´ 55 = 3025 м²

Таблица 2

Литологический	Зоны влияния с учетом литологического состава грунта, м
состав грунта	сечение 1-1	сечение 2-2	сечение 3-3	сечение 4-4
Супесь лессовидная просадочная	3,0-4,5	3,0-4,5	-	3,0-4,5
Супесь лессовидная просадочная	7,5	7,5	7,5	-

- суглинок лессовидный просадочный

- супесь лессовидная просадочная

Рис. 3. Изменение литологического состава грунта

Таблица 3 Подсчет коэффициентов совместного влияния для подземных коммуникаций

по ул. Балтийской с учетом литологического состава грунтов

№ тепло- камеры	Площадь пересечения радиуса действия водопровода и теплотрассы		Площадь пересечения радиуса действия ливневой канализации и теплотрассы		Площадь пересечения радиуса действия ливневой канализации и водопровода
	м^2	%	м^2	%	м^2	%
1	-	-	-	-	-	-
2	-	-	3,32	0,0012	-	-
3	-	-	3,08	0,001	-	-
4	-	-	-	-	-	-
Среднее значение	Кв, т ср = 0		Клк, т ср = 0,0011%		Клк, в ср = 0

Таблица 4 Расчет коэффициентов влияния коммуникаций на просадочную толщу грунта

№ сечений	Площадь радиуса влияния водопровода		Площадь радиуса влияния ливневой канализации		Площадь радиуса влияния теплотрассы		Коэфф-нт влияния коммуникаций
	м^2	%	м^2	%	м^2	%
1	125,30	11,0	42,00	4,0	30,90	3,0	0,18
2	42,70	3,80	144,23	13,0	102,30	9,3	0,26
3	131,30	12,00	144,30	13,0	118,70	11,0	0,36
4	43,80	3,90	44,20	4,0	30,30	2,8	0,10

Согласно данным табл. 1 средние значения “парных” влияний подземных коммуникаций лежат в пределах от 0,04 (водопровод-теплотрасса) до 0,14 (ливневая канализация-теплотрасса). Коэффициент совместного влияния трех видов коммуникаций достигает 0,6.

Оценим величину К_св с учетом данных работы [2] и конкретных геологических условий исследуемого района. Сечения 1-1 и 2-2 проходят по участкам, где грунты представлены супесями и суглинками (рис. 3), сечение 3-3 проходит по участку, где грунты представлены суглинками, сечение 4-4 проходит по участку, где грунты представлены супесями. Соответственно на этих участках радиусы “зон теплового влияния” R будут соответствовать данным, приведенным в табл. 2.

Результаты расчета S_общ по этим сечениям представлены в табл 3.

По формуле (2) К_св = 0,0022%. Согласно данным табл. 3 средние значения “парных” влияний подземных коммуникаций лежат от 0 до 0,000011 (ливневая канализация-тепло-трасса). Коэффициент совместного влияния трех коммуникаций незначителен и равен 0,0022.

Рассчитаем полные площади радиусов влияния подземных коммуникаций и отнесем их к просадочной толще.

Согласно данным табл. 4 значения коэффициентов влияния коммуникаций лежат в пределах от 0,11 до 0,36 в зависимости от литологического состава грунта.

Вывод:

При определении совместного влияния инженерных коммуникаций на геологическую среду необходимо учитывать конкретные геологические условия участков. При установлении зон геоэкологического влияния следует обосновывать их размеры наличием объективных факторов воздействия (тепловое, электромагнитное, нарушение целостности прилегающих областей массива грунта в процессе строительства, эксплуатации и т. д.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Емельянова Т.Я., Ипатов П.П. Экологическая инженерная геология. - Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1995. - 79 с.

2. Жигалин А.Д., Кооф Г.Л., Янченко Ю.Ф. К вопросу о влиянии искусственных тепловых полей на геологическую среду в условиях города // Инж. геология. - 1981. - № 4. С. 63-69.