Защита территорий и строительных площадок от подтопления грунтовыми водами

Защита территорий и 
строительных площадок от 
подтопления грунтовыми водами

 Москва-Вологда  
«Инфра-Инженерия»  
2017

Л.П. Зарубина

УДК  624.13.002.5
ББК 34.66
         З35

ISBN 978-5-9729-0142-5

Зарубина Л.П.
Защита территорий и строительных  площадок от подтопления грунтовыми водами. – М.: «Инфра-Инженерия», 2017 – 212с.

   На основании обобщения многолетнего мирового опыта защиты территорий 
от грунтовых вод в различных гидрогеологических условиях рассмотрены новейшие способы защиты от подтопления, методы искусственного понижения уровня 
грунтовых вод, способы сооружения различных типов противофильтрационных 
завес, «стен в грунте» с целью создания благоприятных условий проведения горных и строительных работ, защиты застроенных территорий от подтопления. Дана 
классификация и характеристика всех способов. Определена область применения 
методов с точки зрения эффективности. Приведены сведения об основных видах 
применяемого оборудования для производства работ.
  Книга предназначена для широкого круга научных и инженерно-технических работников, занимающихся проблемами защиты территорий, строительных 
площадок, промышленных и гражданских объектов от обводнения подземными 
и техногенными водами. Книга также может служить учебно – методическим 
пособием для студентов высших учебных заведений, аспирантов, слушателей 
институтов повышения квалификации горно-геологических и строительных 
специальностей.

© Зарубина Л.П., автор, 2017
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2017

З35

ISBN 978-5-9729-0142-5

Введение

Введение

Многолетние исследования профильных институтов, включавшие обследование жилищного фонда в ряде крупных городов России и стран СНГ, анкетный 
опрос, анализ аналогичных материалов других организаций выявили, что одна из 
главных причин появления ветхого и аварийного жилья – геологические процессы в грунтах оснований и в первую очередь развитие подтопления застроенных 
территорий.
По данным Совета Безопасности РФ, в 1995г. зарегистрировано 792 города, 
находящихся в подтопленном состоянии, а к 2003г. их стало 1000. Около 74% 
городов (данные МЧС) подтопляются.
Стоимость ежегодного списания основных фондов (по зданиям и промсооружениям) из-за негативных изменений геологической среды превышает 40 млрд. руб., 
имея тенденцию к постоянному росту. В связи с этим правительство России приняло постановление 21.03.1996г. №306 «О мерах по защите от подтопления территорий Российской Федерации».
Исследования ФГУП «ВИОГЕМ» позволили определить 24 фактора, вызывающих подъем уровней грунтовых вод на застроенных территориях. [1,2,3]
Огромные масштабы и высокие темпы промышленного, городского, гидротехнического и мелиоративного строительства вызывают интенсивный подъем 
уровня грунтовых вод. Причины этого: ухудшение условий стока ливневых и 
талых вод; несоблюдение требований нормальной эксплуатации водонесущих 
коммуникаций как в процессе строительства, так и в период эксплуатации; создание искусственных водоемов и шламоотстойников в районе промплощадок; 
снижение процессов испарения в результате застройки территории; подпорное 
влияние фундаментов, закладываемых нередко перпендикулярно к направлению 
движения подземных вод; конденсация водяных паров (в районах с резким суточным колебанием температуры); интенсивные поливы зеленых насаждений; 
потери технологических и хозпитьевых вод - наиболее важный фактор, особенно 
на промплощадках, в геологическом строении которых преобладают слабоводопроницаемые грунты.
В результате подъема уровня грунтовых вод происходит подтопление подземными водами площадок промышленных предприятий, территорий городов, крупных поселков, месторождений полезных ископаемых, природных сельскохозяйственных земель.

Зарубина Л.П.
Защита территорий и строительных площадок от подтопления 
грунтовыми водами

Ущерб от подтопления для народного хозяйства в масштабах всей страны 
огромен. Для борьбы с ним необходимы большие средства. Однако, как правило, 
вкладывание средств носит не разовый, а периодический характер, поскольку эти 
средства направляются лишь на устранение последствий подтопления, а не на 
его ликвидацию.      
Подтопление территорий грунтовыми водами приводит к комплексному изменению природных условий. Не только повышается уровень грунтовых вод, 
но и изменяется их химический состав, влажностный и солевой режим грунтов 
зоны аэрации, прочностные и деформационные свойства, почвообразовательные 
процессы и др. Составные части процесса подтопления в целом и их взаимосвязи 
показаны на рис.1. [4]

Рис. 1. Составные части проблемы подтопления и их  взаимосвязи

Введение

Необходимо прогнозирование процесса подтопления при строительстве промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов и его учет при проектировании. Прежде всего следует устранить факторы подтопления или уменьшить их интенсивность.
Выбор типов и конструкций дренажей, их проектирование и строительство 
в различных гидротехнических условиях - сложная проблема, В настоящее время разработаны методы дренирования слабопроницаемых грунтов, где большая 
часть грунтовой воды связана и не удаляется под действием гравитационных сил. 
Для защиты таких грунтов разработаны новые виды дренажей, такие как вакуумный, пневмонагнетательный и т.д. В условиях плотной застройки наиболее приемлем лучевой дренаж.
Следует отметить, что вопрос подтопления до сих пор недооценивается проектными институтами. Зачастую проектирование и строительство стараются удешевить в первую очередь за счет сокращения дренажных сооружений. В результате - борьба с подтоплением стала серьезной задачей.

Защита территорий и строительных площадок от подтопления 
грунтовыми водами

6

Зарубина Л.П.

Глава  1. Общие сведения о способах защиты 
территорий от подтопления грунтовыми водами  

1.1. Общие сведения о грунтовых водах
     
     Защита территорий от подтопления осуществляется на территориях с  неглубоким залеганием грунтовых вод от дневной поверхности. Грунтовые воды, 
расположенные неглубоко от дневной поверхности, усложняют строительство 
зданий и сооружений (вода заполняет котлованы фундаментов будущих зданий, 
выработки при устройстве  подземных сооружений, траншей при укладке инженерных коммуникаций), их эксплуатацию, ухудшают условия произрастания 
зелёных насаждений и санитарно-гигиенические качества территории в целом. 
Они могут вызывать заболачивание, эрозионные процессы, а также способствовать их дальнейшему развитию. Только в редких случаях строителям не нужно 
проводить мероприятия по борьбе с водой.
Подземные воды занимают пространство около 0,5 млрд.км³. Это около одной  
трети объема вод нашей планеты.
Вода находится в постоянном движении, совершая своеобразный круговорот. С огромной поверхности морей и океанов происходит не прекращающееся 
испарение. Образующиеся таким образом пары составляют 86% водяного пара 
атмосферы Земли (континенты дают лишь 14%). Ученые подсчитали, что на поверхность нашей планеты в год выпадает 520 тыс.км³ осадков. Насколько велик 
ежегодный объем осадков, выпадающих на земную поверхность, говорит такой 
подсчет: будучи равномерно распределенными по поверхности Земли эти осадки 
могли бы образовать оболочку толщиной около одного метра. Подземные воды 
по условиям залегания подразделяют на верховодку, грунтовые и межпластовые. 
Объем воды в зоне насыщения пополняется атмосферными осадками и поверхностными водами, которые просачиваются через зону аэрации.

Условия формирования грунтовых вод. 
Фильтрационные свойства грунтовых вод
Условия формирования грунтовых вод в значительной степени предопределены фильтрационными свойствами пород, которые характеризуют их способность 
пропускать через себя воду.

Глава 1. Общие сведения о способах защиты территорий 
от подтопления грунтовыми водами 

Степень водопроницаемости грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации Кф. Он выражает скорость фильтрации в м/сут или м/с при гидравлическом уклоне t = 1. Породы, для которых значения Кф - меньше 0,1 м/сут, условно 
считают водоупорными, поскольку в отличие от водопроницаемых они практически не поддаются дренированию обычными способами (табл.1).

Таблица 1. Степень водопроницаемости грунтов

Породы
Коэффициент
Фильтрации
Кф, м/сут.
Породы
Коэффициент
Фильтрации
Кф, м/сут.

Галечник чистый
Гравий чистый
Гравий с песком
Песок крупный 
гравелистый
Песок:
крупный
средний
мелкий
мелкозернистый
глинистый

> 200
200…100
150…75

100…50

  75…25
  25…10
10…2

2…1

Супесь
Суглинок
Глины
Торф:
малоразложившийся
среднеразложившийся
сильноразложившийся

0,7…0,2
0,4…0,005
0,005 и меньше

4,5…1,0
1,0…0,15
0,15…0,01

Фильтрационные свойства грунтов зависят от их гранулометрического состава и пористости. Чем крупнее зёрна грунта и, следовательно, поры между ними, 
тем выше водопроницаемость.
В несвязанных грунтах может происходить движение воды не только за счёт 
гравитационных сил (фильтрация), а и капиллярных. В этом случае грунтовые 
воды подтягиваются вверх по тонким пустотам, и происходит увлажнение верхних слоев грунта за счёт водоносных нижних. Это свойство грунтов характеризуют максимальной высотой капиллярного поднятия ( табл.2)

Таблица 2. Максимальная высота капиллярного поднятия

Породы
Максимальная
высота капиллярного 
поднятия, м.
Породы
Максимальная
высота капиллярного 
поднятия, м. 

Глины
Суглинки:
тяжелые
средние
легкие
Супеси

4…5

3…4
2…3
1,5…2
1…1,5

Лес туркестанский
Пески
Торф
Гравий

2,5…3,5
0,5…1,0
1,2…1,5
0

Защита территорий и строительных площадок от подтопления 
грунтовыми водами

8

Зарубина Л.П.

Образование и формирование подземных вод
Подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков в грунт, а также конденсации водяных паров в их порах и 
пустотах. Водоносные горизонты формируются между водоупорными слоями, 
создавая различные по степени насыщения и видам водного питания зоны. 

Рис. 2. Схема формирования подземных вод:
1 - зона аэрации; 2 - зона насыщения (водоносный слой);
3 - водоупорный слой; 4 - водоупор;
а - верховодка и подвешенные воды; б - грунтовые воды; в - межпластовые воды

Самая верхняя зона аэрации - служит своеобразным «буферным» слоем между 
грунтовыми водами и дневной поверхностью, регулируя поступление воды из атмосферы в водоносный пласт и аккумулируя в нижней своей части капиллярные 
воды, гидравлически связанные с водоносным слоем. Атмосферные осадки с поверхности земли проникают в эту зону, главным образом за счёт свободного просачивания. Наибольшее количество влаги в зоне аэрации скапливается весной после 
снеготаяния, а летом она частично испаряется, транспортируется растениями или 
просачивается в нижележащие слои, где и формируются водоносные горизонты.
Верховодка и подвешенные воды образуются, когда в водопроницаемых грунтах имеются отдельные водоупорные линзы или же когда слабо-водопроницаемые 
грунты не успевают пропускать поступающую сверху влагу, эти воды характеризуются невыдержанным распространением,  резко изменяющимся по времени 
уровнем и могут полностью исчезнуть с прекращением питания.
Верховодка постепенно стекает с водоупорной линзы, питая залегающий 
ниже водоносный горизонт, а подвешенные воды, которые удерживаются в маловодопроницаемых прослойках только силой капиллярного натяжения, беспрепятственно просачиваются в водопроницаемый слой.

Глава 1. Общие сведения о способах защиты территорий 
от подтопления грунтовыми водами 

Несмотря на эпизодическое присутствие в грунтах, верховодка и подвешенные воды, близко расположенные к поверхности земли, вызывают в ряде случаев 
заболачивание территории и подтопление подземных сооружений.
Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянно существующим водоносным горизонтом и залегают на выдержанном по площади 
водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения. 
Залегая не глубоко от поверхности земли, эти воды наиболее часто служат причиной подтопления  городских территорий.
Meжпластовые воды отделены от дневной поверхности водоупорным слоем 
и имеют несовпадающие области питания и распространения, а также участки 
выхода водосодержащего пласта на поверхность земли (зона естественного дренирования). Если эти воды залегают на сравнительно небольших глубинах, то они 
могут явиться причиной подтопления локальных участков у подножия склонов 
или более обширных площадей при грунтово-напорном питании верхнего водоносного пласта.
Подземные воды могут быть безнапорными, если они имеют свободную поверхность, и напорными, при наличии водоупорной кровли. Напорные воды находятся под гидростатическим давлением и выходят на поверхность в местах 
пересечения водоносного горизонта реками, оврагами или искусственными выемками (эти воды называют артезианскими).
Естественный режим грунтовых вод зависит от природных условий территории, своеобразен на водораздельных участках и в прибрежных зонах.
На водораздельных пространствах уровень повышается чаще всего синхронно с выпадением дождей или снеготаянием. Обычно амплитуда годовых колебаний уровня грунтовых вод (УГВ) на высоких террасах речных долин не превышает 1-3 м.
Задачами инженерной подготовки при подтоплении территорий являются:
- понижение уровня подземных вод;
- осушение территорий;
- защита городских зданий и сооружений от подтопления.[5,6]

1.2. Источники и факторы подтопления

Инженерное освоение территории, т.е. подготовка ее к строительству, само 
строительство и дальнейшая эксплуатация отдельных зданий и сооружений и их 
комплексов приводят, как указывалось выше, к нарушению ранее сложившегося 
динамического равновесия в водном балансе этой территории, к формированию  

Защита территорий и строительных площадок от подтопления 
грунтовыми водами

10

Зарубина Л.П.
 
искусственного режима вод зоны аэрации и грунтовых вод.
Происходит интенсивный подъем уровня грунтовых вод, что является основной причиной  подтопления подземных частей отдельных зданий, сооружений,  
районов и даже городов. [7]
Подтопляемыми территориями являются такие участки, в пределах которых 
происходит постоянное и направленное изменение водного режима, приводящее 
к устойчивому нарушению условий, необходимых для нормальной эксплуатации 
не только отдельных зданий и сооружений, но и целых городов и промышленных 
предприятий. На подтопляемых территориях приходные статьи водного баланса 
преобладают над расходным.
Неподтопляемыми территориями являются участки, на которых вследствие 
хороших условий дренирования или соответствующих природных условий повышения уровня  грунтовых вод и увлажнения грунтов не происходит, а если 
и происходит, то они не отражаются на нормальных условиях строительства и 
эксплуатации зданий и сооружений. На неподтопляемых территориях расходные 
статьи водного баланса преобладают над приходными.
Различают два вида подтопления:
- явное, или собственно подтопление, возникающее при повышении уровня 
грунтовых вод выше отметок заложения оснований подземных сооружений;
- скрытое (увеличение влажности в подземных помещениях, а также в грунтах оснований до критической величины), возникающее при увлажнении грунтов и заглубленных конструкций инфильтрующими или капиллярными водами.
Подтопление территорий обычно происходит в две стадии: [7] 
- при строительстве, когда основными причинами подтопления являются: изменение условий поверхностного стока при вертикальной планировке и засыпке 
естественных дрен; длительный разрыв между земляными и строительными работами нулевого цикла, приводящий к накоплению поверхностных вод в строительных котлованах и траншеях; утечки из временных коммуникаций и т.д.;
- при эксплуатации, когда основными причинами подтопления являются: инфильтрация утечек производственных и сточных вод; уменьшение испарения под 
зданиями и покрытиями; барражный эффект (задержка поверхностных и грунтовых вод под зданиями и сооружениями) и т.д.
Интенсивность процесса подтопления зависит от особенностей естественного 
режима грунтовых вод на рассматриваемом участке, природных условий, организации строительства, плотности застройки и от характера технологического  
процесса промышленного предприятия («сухой» или «мокрый»). [7]
Таким образом, застройка и эксплуатация территории ведут к подтоплению