Долина Москва-реки и ее притоков является центральным ландшафтно-геоморфологическим районом города, пересекающим его с северо-запада на юго-восток, разделяющим остальные три района друг от друга. Река на территории города сильно меандрирует. Долина реки имеет ассиметричное строение – пойма развита преимущественно на правом, а три террасы – преимущественно на левом ее берегу. Ширина долины достигает наибольшей величины 12 км в юго-восточной части города.

Третья (Ходынская) среднеплейстоценовая терраса выражена в рельефе наиболее четко. Это равнинное пространство с абсолютными отметками 140-155 м, относительная высота рельефа около 30 м над уровнем Москва-реки.

Вторая (Мневниковская) верхнеплейстоценовая терраса, с абсолютными отметками поверхности 130-140 м, имеет ровную поверхность с уклоном до 1,5˚. К первой террасе спускается пологим уступом.

Первая (Серебряноборская) верхнеплейстоценовая терраса встречается отдельными фрагментами в Серебряном бору и в Замоскворечье. Абсолютные отметки поверхности террасы 126-130 м.

Пойма Москва-реки сплошной полосой шириной до 1,5 км тянется вдоль реки. Пойма ограничена набережными, на большей части территория подсыпана на 1-4 м. Относительная высота поймы – 4 м над урезом реки.

Смоленско-Московская возвышенность занимает северную и западную части территории Москвы. Это моренно-флювиогляциальная аккумулятивно-эрозионная равнина в междуречьи рек Москвы, Яузы и Клязьмы.

Для этой части Москвы характерны сглаженные формы рельефа с выраженными водоразделами малых рек, с абсолютными отметками 160-190 м. В рельефе поверхности прослеживаются основные фрагменты, составляющие своеобразие ландшафта – водоразделы рек Лихоборки, Чермянки, Химки, Сходни, с относительными превышениями над окружающей территорией на 5-10 м.

Теплостанская останцовая возвышенность располагается в южной части города и относится к Московско-Окской полого-увалистой равнине. Ее рельеф и геологической строение определяются особенностями развития Московской стадии ледникового периода. На этой территории располагалась краевая южная часть ледника. Поверхность возвышенности имеет ступенчатый характер. Нижние ступени перекрыты флювиогляциальными и озерно-ледниковыми отложениями, высокие ступни – мореной московского и донского оледенения. Мощность четвертичных отложений здесь от 10 до 30 м. Ступени возвышенности поднимаются от Москва-реки к Теплому стану на отметки 175-180, 190-200, 210-230 м.

Возвышенность осложнена глубокими, длинными эрозионными долинами, балками и оврагами, на их склонах развиты оползни и оплывы. Здесь максимальные для Москвы показатели глубины (20-40 м) и густоты (3км/км²) расчленения рельефа. Особенно сильно изрезан восточный склон возвышенности – бассейн реки Городня и ее притоков.

Мещеринская водно-ледниковая низменность занимает восточную часть Москвы. Здесь развиты плоские поверхности с неглубокими и широкими флювиогляциальными ложбинами, изрезанными речками. Средние высоты поверхности рельефа 120-150 м. Речные долины здесь не четко выражены, не очень глубоки. Низменность заболочена и имеет общий уклон на юго-восток, с отдельными небольшими поднятиями. Характеризуются относительно большой мощностью четвертичных водно-ледниковых и аллювиальных отложений и неглубоким залеганием глин и известняков.

Выделенные ландшафтно-геоморфологические районы характеризуются особенностями строения верхней части геологического разреза (Таблица 1).

Таблица 1. Особенности геологического строения ландшафтно-геоморфологических районов города Москвы

,  (1)

где

• k – коэффициент фильтрации, м/сут;
• h_ср – средняя мощность с учетом водопонижения, м;
• S – величина снижения уровня воды в котловане, м;
• R_k – радиус контура питания, м;
• r_k – приведенный радиус котлована, м.

Средняя мощность определяется как

,                                                                  (2)

где

• Н – начальная мощность водоносного пласта, сохраняющаяся на расстоянии радиуса R_k, м.

Приведенный радиус котлована

  (3а)       или                (3б),

причем разница в определениях по (3а) и (3б), обычно не превышает 5%.

Значения радиуса контура питания определяется по формулам Кусакина или Шестакова

,  (4)

и

,   (5)

где

• t – период от начала строительного водопонижения до начала разработки котлована, сут;
• μ – величина водоотдачи пласта, из которого осуществляется водопонижение.

При характерных значениях μ=0,05-0,20 и периоде t=15-20 суток, что отвечает большинству объектов, где осуществляется строительное водопонижение, разница в оценке R_k по формулам (4) и (5) не превышает 30%. Учитывая, что значение R_k в формуле (1) используется под знаком логарифма, разница в оценке величины водопритоков не превышает 10%, то есть является несущественной.

Рассмотрим, как изменяется величина водопритока Q от величины r_k (размеров котлована) для реального диапазона изменения этой величины, гидродинамических параметров пласта и величины снижения уровня. Очевидно, что при изменении величины r_k в одной и той же природной среде значение R_k, оцениваемое как по формуле (4), так и (5), не зависит от второго слагаемого. В связи с этим целесообразно рассмотреть возможные изменения водопритоков при разных значениях r_k для фиксированных величин  или . Последние величины зависят от гидрогеологических условий территории объекта и технологических условий сооружения котлована.

Полагаем реальными диапазоны изменения S от 2 до 15 м, k от 2 до 30 м/сут и Н от 5 до 30 м. В этом случае значение изменяется в диапазоне от 15 до 900, то есть в 60 раз. Аналогичным образом изменяется и величина от 50 до 1000 м. Рассмотрим фиксированные значения равные 15, 40, 120, 400 и 900. Значения r_k полагаем изменяющимися от 10 до 1000 м, что соответствует периметрам котлованов от 63 до 6300 м.

Введем понятия удельной величины расхода при водопонижении

    (7)

Тогда из (1) получим

     (8)

Полагая А=2,73kh_cpS                                                                                                                  (9)

имеем      .                                                                                                                   (10)

Характерный диапазон изменения параметра А для вышеуказанных величин k, h_cp и S от 100 до 10000. Для средних значений из указанного диапазона k=8 м/сут, h_cp=10 м, S=5 м получим наиболее употребительное для экспертной оценки А=1100 и

  (11)

Значения для выбранного диапазона изменения r_k и приведены в таблице № 1.

Как видно из полученных результатов расчета, наибольшее увеличение расходов (десятки раз) при возрастании размера котлована (100 раз) происходит при низких значениях водопроводимости пласта kН и небольших понижениях S. Это обусловлено тем, что при малых значениях комплексного показателя разница между r_k и R_k оказывается небольшой и структура фильтрационного потока к котловану приобретает черты плоско-параллельной. В этих условиях определяющим является периметр котлована (то есть длина фронта, с которого происходит поступление воды).

При возрастании водопроводимости и больших понижениях существенно возрастает разница между R_k и r_k и влияние размеров котлована на изменение водопритоков сокращается. Для таких условий увеличение размеров котлована в 100 раз сопровождается возрастанием водопритоков всего в 7-23 раза. При таком соотношении R_k и r_k структура фильтрационного потока становится существенно радиальной (значение и различие между R_k и r_k – велики) и величина водопритока в большей степени зависит от параметров пласта, а не только от размера котлована.

Наиболее характерные значения водопритоков, как видно из таблицы № 1 и формулы (11), лежат в диапазоне от 500 до 20000 м³/сут (20-800 м³/час).

Выводы

1. При низких значениях водопроводимости пласта и небольших величинах снижения уровня определяющим фактором является периметр котлована. Возрастание его размеров практически линейно увеличивает величину водопритоков.
2. При больших значениях водопроводимости и существенных величинах водопонижения влияние размеров котлована на изменение водопритоков существенно уменьшается. Структура фильтрационного потока становится существенно радиальной и величина водопритоков все в большей степени зависит от фильтрационных параметров пласта.

1. моренные суглинки московского и донского оледенения;
2. юрские или верхнекаменноугольные глины;
3. слой элювия в кровле верхнекаменноугольных известняков. Последний вариант характерен для эрозионной палеодолины ПраМосква-реки и ее притоков, протянувшейся полосой шириной 1-2 км с северо-запада на юго-восток в центральной части города.

Источники питания подземных вод

Питание грунтовых вод осуществляется повсеместно за счет инфильтрации атмосферных осадков и утечек воды из водонесущих коммуникаций. Интенсивность питания изменяется в диапазоне от 100 до 350 мм/год. Приток поверхностных вод из Москва-реки ограничен зарегулированностью ее стока и осуществляется на отдельных участках, характеризующихся отсутствием нижнего водоупора (глин и суглинков) и депрессией уровня в горизонтах верхнего карбона, обусловленным водоотливом. Такие участки расположены, в основном, в центре города вдоль долины Москва-реки.

Уровни подземных вод

Уровни подземных вод снижаются от 170-210 м на водораздельных моренно-флювиогляциальных равнинах на северо-востоке и юго-западе города до 110-130 м в пойме Москва-реки и ее крупных притоков.
Грунтовые воды питают малые реки в пределах города и в существенной мере обеспечивают их сток в летнюю и в зимнюю межень. Модуль подземного стока для Москвы составляет 1,5-2,0 л/с·км². Разгрузка грунтовых вод осуществляется так же за счет перетекания в нижезалегающие водоносные горизонты. При этом величина перетекания изменяется от 30 до 90 % от получаемого питания. Последнее значение характерно для участков отсутствия нижнего водоупора.

Уклоны зеркала грунтовых изменяется в пределах от 0,001 до 0,1. Они в основном соответствуют изменениям уклона поверхности земли и рельефа подошвы четвертичных отложений. Максимальные уклоны потока характерны для участков тыловых швов речных террас, где происходит смена литолого-фациальных характеристик водовмещающей толщи и резкое изменение ее проницаемости. Глубина до уровня грунтовых вод изменяется от 2-3 м на большей площади его распространения и лишь на отдельных участках водоразделов увеличивается до 8-15 м.

Фильтрационная характеристика водовмещающей толщи

Водовмещающая толща характеризуется весьма неоднородным строением. Проницаемость отложений изменяется от 0,5-1,0 м/сут до 5-10, а в редких случаях и до 15 м/сут. В зависимости от литолого-фациальных условий эти изменения могут происходить на весьма небольших расстояниях, соизмеримых с размерами проектируемых инженерных сооружения. Это обстоятельство накладывает особую ответственность на качество выполняемых определений фильтрационных свойств грунтов как лабораторными, так и полевыми испытаниями.

Для территории города характерно так же развитие верховодки в покровных и техногенных отложениях.

Благодаря небольшой глубине залегания уровня грунтовых вод, его положение обычно определено по большому количеству разведочных, в том числе неглубоких, скважин. Это обстоятельство позволяет более надежно калибровать математические геофильтрационные модели, используемые для обоснования прогноза изменения гидродинамических условий от влияния подземных частей проектируемых инженерных сооружений.

При периодически изменяющихся статьях водного баланса наблюдаются гармонические колебания уровня подземных вод. Наиболее известными являются сезонные колебания. В период снеготаяния и осеннего сезона дождей уровень подземных вод повышается, в летний и зимний период – частично понижается.

Последовательное снижение уровней характерно для залегающих на глубинах 100-300 м от поверхности земли подземных водах в каменноугольных известняках. Оно связано с длительным крупным водоотбором из этих водоносных горизонтов для хозяйственно-питьевого водоснабжения в Московской области и с водоотливом при строительстве метрополитена в городе Москва.

Изучение уровенного режима подземных вод осуществлялось на территории г. Москва с 30-х – 40х годов ХХ века по более чем 250 скважинам. В последние 10 лет количество скважин, по которым выполняется наблюдение резко сократилось и не превышает 80.

За период наблюдения с середины 30-х годов до конца ХХ века произошли довольно существенные изменения уровней грунтовых вод, обусловленные в основном инженерно-хозяйственным воздействием.

Области длительного снижения уровня (тренда) приурочены, главным образом, к долинам Москва-реки и ее крупных притоков. Они связаны с водоотбором из нижележащих водоносных горизонтов. Наибольшие снижения уровней грунтовых вод произошло в районах впадения р. Яуза в Москва-реку, Хорошевского шоссе и Киевского вокзала (до 3-6 м), по долинам рек Яузы и Лихоборки снижение составляло 2-3 м.

Дополнительные колебания уровня связаны с водоотливом из шахт и сооружений метрополитена. Амплитуда этих изменений достигает 4-5 м, продолжительность периодов – несколько лет.

Области повышения поверхности грунтовых вод приурочены, в основном, к водоразделам и связаны с утечками из водонесущих коммуникаций. Максимальный подъем уровня грунтовых вод характерен для северной части территории города Москвы. После строительства канала Москва-Волга, в связи с зарегулированием стока Москва-реки, произошло некоторое повышение уровня грунтовых вод в пределах Лужников и Химкинского водохранилища. В Замоскворечье повышение уровня было нивелировано работой берегового дренажа. Значимое повышение уровня в последние десятилетия происходило на территориях в южной и юго-западной части города, где происходило масштабное строительство, главным образом, жилых районов.

В качестве примера долгосрочного техногенного влияния на уровни подземных вод можно привести работу Замоскворецкого дренажа. Замоскворецкий дренаж пойменной террасы реки Москва построен в 1937 году для регулирования уровня грунтовых вод и непрерывно эксплуатировался в течении 81 года. Основное назначение этого дренажа – защита городской территории, промышленных объектов, жилых и административных зданий от потопления в связи со строительством канала им. Москвы и повышением уровня в реке Москва на 3 м, до отметки 120 м.

Со временем, в результате кольматации поверхности фильтров расходы дренажа существенно сокращались. В результате сокращения водоотбора из дренажных скважин в 1950-60-х годах уровни подземных вод в районе отдельных участков дренажного ряда поднимались на 2,0-2,5 м выше отметок, зафиксированных в 1933 г, до повышения уровни в реке Москва со 117,0 до 120,2 м. Это привело к подтоплению территории на значительной площади. В 2011-2012 гг. были выполнены ремонтно-восстановительные работы для Южной и Северной ветви насосной станции 1. Влияние выполненных мероприятий на режим уровней подземных вод можно привести по результатам наблюдательной скважины, расположенной в непосредственной близости от трассы дренажа. Исходя из результатов режимных наблюдений можно заключить, что реконструкция южной и северной ветки НС-1 привела к значительному снижению уровней и улучшению гидромелиоративной обстановки на прилегающей территории.

Сезонные колебания уровня подземных вод в четвертичных отложениях, в основном, не превышают 1,0 м, иногда достигают 2,0, на значительных территориях – 0,5-0,7 м. На рисунке 2 представлен пример сезонных колебаний уровней, связанных прежде всего с неравномерностью инфильтрационного питания в течение года.

Значимое влияние на колебания уровня подземных вод имеет техногенный фактор. Его воздействие проявляется в уменьшении сезонных амплитуд колебаний и увеличении многолетних по сравнению с естественными характеристиками. При этом нарушается закономерность уменьшения амплитуды сезонных и многолетних колебаний с увеличением глубины залегания уровня. Для территорий с воздействием техногенного режима амплитуды сезонных колебаний практически не меняются с глубиной, а многолетних колебаний даже имеют тенденцию к увеличению.

Урбанизация территории вносит изменения в преобразование природной цикличности колебаний уровня. Сотрудниками института геоэкологии РАН выявлена семилетняя периодичность в режиме грунтовых вод города.

В каменноугольных водоносных горизонтах уровни за последние 70 лет интенсивно снижались от 25-30 м в касимовском, до 70-80 м в подольско-мячковском.

Данные о режиме подземных вод позволяют существенно повышать надежность гидродинамических прогнозов влияния подземной части инженерных сооружений на окружающую застройку. Это достигается путем верификации (калибровки) геолого-математических моделей участка проектируемого сооружения по всей накопленной гидрогеологической информации. Точность прогнозных расчетов при этом возрастает с 30-40% до 4-5%.

Повышение уровня подземных вод может активизировать просадочные процессы, привести к возникновению гидродинамического и взвешивающего давления. Подтопление, связанное с повышением уровней, может вызвать заболачивание территории, представляет угрозу сохранности подземных технических сооружений и коммуникаций, построенных в ранее сухих грунтах.

Понижение уровней подземных вод может привести к возникновению подземной эрозии, образованию суффозионных воронок на поверхности земли, деформации сооружений и подземных коммуникаций.

На основании МГСН 2.07-01 “Основания, фундаменты и подземные сооружения г. Москва” и СП 22.13330.2016 “Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*” (п. 5.4), а также требований экспертизы для количественной оценки изменения уровней подземной воды и градиентов потока, прогнозные расчеты “барражного эффекта” выполняются с использованием метода математического численного моделирования в конечных разностях.

Величина изменения уровня при “барражном эффекте” зависит от градиента фильтрационного потока и протяженности преграды, перекрывающей фильтрационный поток по его фронту. Максимальный эффект наблюдается при полном перекрытии преградой водоносного горизонта (преграда “совершенная” по гидродинамическому воздействию на фильтрационный поток). Как было показано исследованиями Бунтмана и Непомнящего, при перекрытии преградой менее 90% мощности водоносного горизонта “барражный эффект” практически не проявляется. Величина изменения уровня при “барражном эффекте” варьирует от десятков сантиметров до нескольких метров.

Основными компенсационными инженерными мероприятиями при значительной величине “барражного эффекта” являются:

• Дренажные сооружения подземных вод перед преградой;
• создание искусственных путей пропуска расхода фильтрационного потока в обход преграды.

Весьма ориентировочно величина “барражного эффекта” может быть оценена по эмпирической формуле Монахова-Пашковского:

ΔH=(I·B)/1.78

где B – протяженность преграды, определенная перпендикулярно потоку подземных вод, м;

J – напорный градиент подземного потока до сооружения преграды.

При оценке “барражного эффекта” для подземного сооружения, проектируемого в пределах существующих зданий с глубоко залегающими фундаментами, указанная формула не может быть использована. В этом случае необходимо учитывать взаимовлияние нескольких преград фильтрационному потоку. То есть, оценка “барражного эффекта” возможна только с использованием метода математического моделирования.

Фильтрационное разрушение грунтов

К фильтрационному разрушению грунтов относят: выпор происходящий под действием восходящего фильтрационного потока, а также механическую суффозию.

Механизм развития процесса фильтрационного разрушения грунтов в песчаных отложениях отличается от глинистых (связных).

Выпором обычно называют такое разрушение грунта, при котором приходит в движение некоторый его объем со всеми слагающими его фракциями. При выпоре, как правило, часть грунта, отделяется от массива и разрыхляется.

Формула для оценки возможности выпора грунта в фильтрационном потоке, предложенная Терцапе, имеет вид

J_разр=(γ-1) ^. (1-n), (1)

где J_разр – предельный напорный градиент потока;

γ – удельный вес грунта, т/м^3;

n – пористость, д.е.

Реально, величина J_разр находится в диапазоне от 0,83 до 1,16, в среднем J_разр~1. С учетом коэффициента запаса k⁰=2,5÷3,0, допустимым градиентом следует считать J_доп = 0,3 – 0,4.

Прорыв связного грунта, в дне котлована при его разработке возможен, если взвешивающее гидростатическое давление на основание слоя связного грунта превысит вес столба этого слоя

γ₀ ^. H>γ ^. m₀, (2)

где γ₀ – удельный вес воды, т/м³;

Н – гидростатический напор, м;

m₀ – остаточная мощность слоя связного грунта, в основании котлована, м.

Суффозией обычно называют явление выноса фильтрационным потоком из толщи грунта наиболее мелких частиц. Крупные частица, слагающие грунт, в процессе его разрушения остаются в массиве грунта на своих прежних местах. При этом пористость грунта увеличивается по сравнению с первоначальным состоянием, увеличиваются размер пор грунта, из которых произошел вынос частиц. Суффозионные явления возникают в разнозернистых грунтах (преимущественно песчано-гравийных).

В ходе исследований суффозии в НИИ “Водгео” для весьма неоднородных грунтов с коэффициентом неоднородности η>20 принята схема разделения грунта на “скелет” и “заполнитель”. Такая схема допускает изменение количества фракций “заполнителя” без увеличения заданного объема грунта. Таким образом, допускается, что не все поры “скелета” грунта заполнены мелкими фракциями, то есть отсутствует “плотная упаковка” частиц. Авторы допускают, что к “заполнителю” следует относить частицы с d≤1 мм. Поэтому, критерием плотного сложения (заполнителя пор “скелетом” целиком) следует считать

G = γ_з ^. n_ск , (3)

где G – весовое содержание всех фракций с d≤1 мм;

γ_з – удельный вес этих фракций, т/м³;

n_ск – пористость “скелета”.

При G < γ_з·n_ск заполнение пор будет не полным и опасность возникновения суффозии возрастает.

Для разнозернистых грунтов с η>20 характерно более плотное строение, что обуславливает, как правило, уменьшение пористости n до 0,26-0,27 и повышение объемного веса сухого грунта γ_n до 1,85-1,96 г/см³.

При η<10 минимальные размеры пор грунта d⁰_min – оказываются меньше расчетного диаметра частиц d_расч. Здесь образуются скопления частиц размером d⁰_min<d<d_расч в виде пробки. При этом, может произойти выпор грунта, но не суффозия. При 10<η<20 может быть как выпор, так и суффозия.

При грунте основании, не имеющем прослоек и включений другого грунта, разрушение его фильтрационным потоком представляет опасность главным образом при выходе потока в дренаж. В связи с этим, при проектировании подземного контура сооружений первоочередным является определение вида возможного разрушения грунта около выходного фрагмента подземного контура сооружения.

Приближенно можно принять, что в грунтах с η<10, а так же с k<15-20 м/сут, основным видом фильтрационных деформаций является выпор, а в грунтах с η>10÷20 – суффозия.

Исследованиями выполненными в НИИ “Водгео” показано, что допустимым градиентом фильтрационного потока для 10 <η<20 следует принимать J_доп=0,2-0,25, а для η>20 принимать J_доп=0,1-0,15, то есть, процесс суффозии в неоднородных грунтах начинается при градиентах недостаточных для начала выпора грунта.

В ходе исследования установлено, что для менее проницаемых грунтов с коэффициентом фильтрации k <0,07 см/сек процесс суффозии затруднен вследствие сопротивления грунтов разрушению.