Современные экзогенные геологические процессы имеют широкое развитие в пределах описываемого региона. В основном это заболоченность, карст, оползни, переработка берегов естественных и искусственных водоемов, речная и овражная эрозия, морская абразия, эоловые процессы, просадочные процессы.
Волга-Уральский регион является экономически развитым, что обусловливает широкое распространение антропогенных процессов, среди которых основным является подтопление городских территорий.
В сейсмическом отношении территория обычно считалась довольно спокойной. Принималось, что большинство землетрясений, ощущавшихся в регионе, носят транзитный характер. Для Предуралья допускалась возможность собственных слабых землетрясений карстового происхождения. В то же время, начиная с конца прошлого века, делались попытки связать отдельные землетрясения Русской платформы и Урала с тектоническими процессами.
При разработке карты СР-78 на основании анализа литературных и архивных материалов был составлен каталог землетрясений Русской платформы и Урала и карта эпицентров.
Большое число землетрясений каталога имеют магнитуды 3 - 4 и глубину очага от 3 до 10 км. При этом интенсивность в эпицентре колеблется от 3 до 5 баллов, достигая в отдельных случаях 6 баллов.
Наличие тектонических движений между р. Камой и Уралом, в частности в районе Татарского свода, подтверждается повторным нивелированием. Именно к этой обширной территории приурочено скопление эпицентров землетрясений.
На карте СР-78 в районе среднего течения р. Камы и Среднего Урала (включая район Свердловска) выделена 6-балльная зона.
В соответствии со схемой сейсмического районирования Европейской части СССР масштаба 1:500000, составленной в 1987 г. и согласованной с Мингео СССР и АН СССР в 1989 г., значительная часть территории Татарстана отнесена к зоне с максимальным расчетным землетрясением (МРЗ) для грунтов второй категории, равным 6 баллам.
За последнее столетие в пределах Татарского свода отмечено около 30 землетрясений интенсивностью свыше 4 - 5 баллов.
Наиболее значительные сейсмические события относятся к 1807 г. (Козьмодемьянск, 5 - 6 баллов), 1851 г. (Елабуга, 4 - 5 баллов), 1866 и 1909 гг. (Казань).
С 1982 г. отмечается возрастание сейсмической активности в районе г. Альметьевска, где были зарегистрированы серии землетрясений интенсивностью от 3 - 4 до 5 - 6 баллов. Последнее землетрясение в этом районе зафиксировано в январе 1989 г. (4 - 5 баллов).
17 апреля 1989 г. на территории Татарстана произошло землетрясение силой 5 - 6 баллов (по некоторым оценкам до 7 баллов), эпицентр которого находился в районе г. Менделеевска. Землетрясение ощущалось в г.г. Менделеевск, Набережные Челны, Елабуга, Нижнекамск и др.
Сейсмическая активность на территории обусловлена не только влиянием естественных тектонических причин (например, наличие Камского глубинного разлома), но и факторов искусственного происхождения (создание Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ, интенсивная разработка нефтяных месторождений).
Территории, предназначенные для строительства, разделяются на следующие группы с учетом категорий грунтов по сейсмическим свойствам:
1. Денудационные равнины, высокие террасы, сложенные глинистыми, песчано-глинистыми и полускальными грунтами, преимущественно II категории, со спорадическим распространением подземных вод на глубине от 2,5 до 10 м и более. При освоении не требуется инженерная подготовка, сейсмичность равна фоновой.
2. Пойменные террасы, сложенные песчано-глинистыми грунтами, иловатыми, заторфованными, относящимися ко II и III категориям, с высоким уровнем подземных вод (0,5 - 2 м). Требуется инженерная подготовка, сейсмичность увеличивается на один балл по сравнению с фоновой.
3. Территории развития эрозионной, балочной и овражной сети, склоны речных долин неблагоприятны в сейсмическом отношении и должны быть исключены из застройки.
При инженерных изысканиях особое внимание необходимо уделять современным экзогенным геологическим процессам и просадочности грунтов.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО МИКРОРАЙОНИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ РЕГИОНАЛЬНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ
3.1. Прогноз подтопления
Наиболее распространенным и значимым по своим негативным последствиям фактором является подтопление территорий. Процессы подтопления широко развиты в городах и населенных пунктах Северного Кавказа, Сибири и Дальнего Востока. В зависимости от конкретных инженерно-геологических условий территорий и степени эффективности инженерной защиты эти процессы могут происходить с различной интенсивностью или не проявляться вообще. Для большинства объектов сейсмического микрорайонирования степень инженерно-геологической изученности довольно высокая, причем изыскания проводятся в течение длительного времени. Поэтому о наличии или отсутствии процессов подтопления можно судить уже на первом этапе изысканий - на основании анализа материалов инженерных изысканий прошлых лет.
Анализ материалов бурения, выполненного в разные годы на одних и тех же территориях, позволяет не только однозначно выявить наличие подтопления, но и с достаточной точностью оценить скорость развития процесса. На основании такого анализа принимается решение о необходимости постановки работ по прогнозу подтопления.
Следует отметить, что причиной подтопления могут являться факторы, действующие как в пределах изучаемого объекта, так и за его пределами.
К первой группе относятся утечки из водонесущих коммуникаций, общее ухудшение поверхностного стока и испаряемости на застроенных территориях и другие причины. Ко второй - развитие орошаемого земледелия на окружающих города территориях, строительство каналов, водохранилищ и т.п.
Реально подтопление обусловливается воздействиям обоих факторов, однако вторую группу можно рассматривать, наряду с инфильтрацией атмосферных осадков, как своего рода фон, на котором развивается подтопление собственно техногенного характера. Кроме того, изучение влияния второй группы факторов требует значительного увеличения площади исследований и, следовательно, стоимости работ.
Исходя из этого, для прогноза подъема уровня рекомендуется ограничиться учетом факторов, влияющих на гидрогеологическую обстановку только в пределах районируемых территорий.
Весь комплекс работ по прогнозу можно разделить на три этапа:
изучение геолого-гидрогеологического строения;
изучение техногенной нагрузки на районируемую территорию;
выполнение прогнозных расчетов и построение карты прогнозного уровня.
На первом этапе необходимо определить глубину залегания грунтовых вод, мощность водоносного горизонта, граничные условия пластов и их фильтрационные параметры.
Для определения глубины залегания грунтовых вод часть вновь буримых скважин размещается в местах проходки выработок прошлых лет, желательно там, где в непосредственной близости (при сходных геолого-гидрогеологических условиях) расположены скважины, пройденные в разные годы, и оборудуется режимная сеть с циклом наблюдений, охватывающим минимальное и максимальное положение уровня.
В этом случае можно, определив скорость подъема уровня, получить ориентировочную глубину УГВ на период проведения изысканий. Введя поправку на дату замера по результатам режимных наблюдений, получаем УГВ, приведенный к единому замеру, соответствующему максимуму на год изысканий.
Многолетние колебания уровня могут существенно изменить полученные результаты, но их учет возможен только при наличии длительного (не менее 15 лет) цикла режимных наблюдений непосредственно на изучаемой территории. В условиях развивающегося подтопления разделить техногенные и естественные составляющие изменения уровня вряд ли возможно, использование аналогий некорректно - для этого, кроме климатической и геолого-гидрогеологической идентичности участков (аналога и изучаемого), должны совпадать также плотность и типы застройки, густота и возраст водонесущих коммуникаций, что маловероятно.
Исходя из этого, на практике используется приведение к максимальному уровню на год проведения изысканий. На основании полученных таким образом значений приведенного УГВ по каждой из имеющихся скважин путем интерполяции строится вероятностная карта гидроизогипс грунтовых вод, являющаяся исходным материалом для дальнейшей работы.
Определение мощности водоносного горизонта при глубине залегания водоупора до 20 - 30 м не представляет сложности. При большей глубине необходимо использование геофизических методов и глубоких скважин прошлых лет.
Фильтрационные параметры водонасыщенных грунтов определяются с помощью одиночных откачек численностью не менее трех для каждого из выделенных гидрогеологических элементов и наливов воды в шурфы.
Следующий этап - изучение техногенной нагрузки - наименее поддается точной оценке. Для этого необходимо фиксирование всех водонесущих коммуникаций с замером объема воды на их входе и выходе. Однако и при этом необходимо учитывать, что только часть теряемой воды идет на питание водоносного горизонта, а остальная расходуется на испарение, транспирацию, насыщение грунтов зоны аэрации. Без постановки длительных и дорогостоящих лизиметрических наблюдений достаточно точно установить величину инфильтрационного питания невозможно.
Определение питания водоносного горизонта по данным режимных наблюдений значительно проще методически, учитывая наличие соответствующих программ обработки данных наблюдений на ЭВМ. Дополнительным преимуществом в этом случае является то, что отпадает необходимость расчета всех составляющих баланса, так как учитывается только та его часть, которая идет непосредственно на пополнение подземного потока. Однако информативность этого метода в значительной мере зависит от плотности режимной сети и охвата всех типов застройки и геолого-гидрогеологических условий районируемой территории.
Кроме того, кратковременность цикла наблюдений при СМР (как правило, не более одного года) делает полученную величину в значительной степени случайной. Тем не менее, этот метод определения дополнительного питания представляется наиболее предпочтительным.
После получения всех исходных данных территория делится на участки, однородные по геофильтрационным параметрам, типам пластовых условий и техногенной нагрузке.
Полученные таким образом данные о вероятностно-статистическом поле уровня грунтовых вод, приведенного к единому замеру, схематизированных пластовых и граничных условиях и расчетной величине инфильтрационного питания позволяют прогнозировать возможность подтопления.
Существуют три основных метода прогноза: метод обобщенных аналогий, метод математического моделирования и метод аналитических расчетов.
Первый из перечисленных методов наиболее прост и позволяет получить прогнозный уровень путем простой экстраполяции скорости подъема уровня, полученной указанной выше методикой, на любой промежуток времени. Однако из-за того, что по мере насыщения пласта меняются его гидродинамические характеристики, скорость подъема уровня уменьшается со временем. Отсюда следует, что этот метод можно применять только для предварительной оценки подтопления.
Метод математического моделирования является наиболее точным, но и наиболее трудоемким и выполняется на аналоговых вычислительных машинах (АВМ) или ЭВМ типа СМ. Точность расчетов здесь повышается тем более, чем на большее количество квазиоднородных участков разделяется территория. При этом возрастает значение точности и детальности определения всех исходных параметров, в том числе и источников техногенной нагрузки.
Метод аналитических расчетов, генерализируя исходные параметры, в значительной степени нивелирует погрешности в их определении, что делает точность расчетов вполне приемлемой.
Предварительная подготовка исходных данных заключается в разделении территории на квазиоднородные в геолого-гидрогеологическом отношении, а также по величине дополнительного питания участки и линейной аппроксимации гидрогеологических границ.
Затем территорию разделяют условной сеткой на расчетные блоки, располагаемые параллельно границам. Густота сетки определяется размерами однородных участков, наиболее оптимальный шаг сетки составляет 200 - 250 м. В случае однородного строения пласта он может увеличиться до 500 м.
Рассматривая пересечения сетки в качестве расчетных точек, по каждой из них производятся расчет подъема уровня с учетом принципа суперпозиции. Расчеты ведут по методике, разработанной для источника инфильтрации, приведенного к групповой форме с центром в расчетной точке.
Просуммировав затем значения величины подъема уровня в каждой точке, строят карту гидроизогипс прогнозного уровня грунтовых вод. С учетом отмеченных выше погрешностей в определении исходных параметров карта носит прогнозно-оценочный характер, что необходимо отразить в ее названии.
Выполнение прогноза по описанной схеме имеет смысл только в том случае, когда подъем уровня может вызвать реальное изменение сейсмогеологических условий районируемой территории, то есть при исходном УГВ в пределах 5 - 15 м. Если территория в исходном состоянии подтоплена или же вода залегает на больших глубинах (более 15 - 20 м), в прогнозных расчетах нет необходимости. Срок действия прогноза соответствует нормативному сроку действия карты СМР, то есть составляет 10 лет. При большем сроке прогноза его достоверность значительно понижается.
3.2. Прогноз изменения мерзлотных условий
Для территорий распространения вечномерзлых грунтов сейсмическое микрорайонирование проводится с учетом прогнозного изменения свойств мерзлых грунтов. При проектировании строительства с учетом оттаивания грунтов в основаниях зданий (для II принципа строительства) карты сейсмического микрорайонирования составляются для естественных и прогнозируемых условий.
