Результаты гидрогеологических изысканий используются для прогнозирования влияния строительства на подземные воды и связанные с ними процессы и элементы окружающей среды, для разработки разделов проектирования, занимающихся организацией строительства, защитными противофильтрационными, противооползневыми и дренажными мероприятиями, предотвращением негативного воздействия подземных вод на сооружения, строящиеся и расположенные рядом с площадкой строительства.
В настоящее время сложилась неблагополучная ситуация в отношении пригодности и обоснованности результатов изысканий для решения таких вполне ординарных задач, как моделирование подпора и дренажа. Гидрогеологические исследования в изысканиях имеют крайне ограниченный объем, а методика доведена до примитивного уровня. Ситуация неблагополучна не только в исследованиях, связанных с гидродинамическим прогнозом, но даже в разделе простой характеристики условий залегания подземных вод и гидрогеологической стратификации разреза.
В свою очередь, и прогнозное моделирование пришло к противоречию. Расчет выдвигается на первый план, в то время как плановые исследования по его обоснованию сокращаются. Теряются системный анализ природно-технической системы, оценка степени сложности задачи. Выполнение прогнозных исследований обретает «конвейерный» характер, что приводит к снижению исследовательского потенциала специалистов в данной области.
Негативную роль играют стандартизация, рыночный подход к программному обеспечению и ориентация на западные продукты. Результатом может стать потеря научно-исследовательского отечественного потенциала, плодотворное развитие которого происходило в предшествующие десятилетия.
Задачами гидрогеологических изысканий, наиболее востребованными в городском строительстве, являются долгосрочный прогноз подпора-понижения поверхности грунтовых вод на территории возведения сооружения и прогноз строительного водопонижения.
В прежнее время эти задачи рассматривались редко. Если и приходилось их решать, то главным условием являлись обоснованность результатов исследований, изучение природных условий и параметров на участке строительства. Моделирование фильтрации подземных вод (аналоговое и с использованием ЭВМ) было трудоемким, и при ограниченных изысканиях использовались аналитические расчеты — простые, но надежные в оценочном прогнозе, которого во многих случаях оказывалось вполне достаточно.
В новое время оказалось, что геофильтрационное моделирование следует проводить практически всегда. А использование метода численного моделирования определяется не столько сложностью гидрогеологических условий и обилием материала (его качество стало несравнимо хуже), сколько наличием сертифицированных компьютерных программ. Этот факт обретает решающее значение, в то время как исследовательская, творческая сторона «за ненадобностью» исчезает.
Дают ли изыскания в строительстве (в том в виде, в котором они сейчас находятся) материал для гидрогеологического прогноза? Ответить на этот вопрос можно кратко: дают, но крайне мало, некачественно и «оторвано» от конкретной задачи.
Почему том изысканий не содержит карту гидроизогипс территории строительства? Ответ: такая карта сразу показывает огрехи измерений уровней подземных вод и квалифицированность исполнителя. Не следует забывать и о том, что первичная полевая документация гидрогеологических наблюдений не находит отражения в отчете. Помимо «статического и динамического» уровней нужны и данные измерений хода уровня воды в скважине, журналы прокачек, конструкция в период измерений.
Но есть и другой вопрос. Всегда ли нужен сам гидрогеологический прогноз, осуществляемый методами математического моделирования? Ведь численная сетка требует насыщения параметрами (характеристиками граничных условий, изменчивости, проводимости и питания) и знания геологического строения для литолого-фильтрационного анализа. И все это по единичным скважинам?
Не надо забывать и про увеличившееся количество фирм и специалистов, которые заняты и в моделировании, и в экспертизе отчетных материалов. Причем специалистов, не всегда поддерживающих свой профессиональный уровень, подчас не только имеющих недостаточные квалификацию и опыт в моделировании и опытно-фильтрационных исследованиях (ОФИ), но и не сохранивших знания в области базовых гидрогеологических дисциплин.
В итоге моделирование становится затратным и при этом малоубедительным видом работ. Ведь геологический прогноз проверить после строительства практически невозможно, если не провести гидрогеологическую съемку. Целевая осмысленность и изыскательская база прогнозных исследований в последние годы обрели формальный характер. Преобладающий объем моделирования в строительстве может быть назван некорректным из-за отсутствия ОФИ. Результаты же принимаются к рассмотрению («актируются») формально, по требованиям нормативных документов. При этом не учитывается и вариативный характер геологических исследований, и заведомо известные объективные погрешности, которые всегда имеют место, даже при специальных исследованиях.
Точного прогноза при многофакторной зависимости геофильтрационных построений от параметров, баланса, технического решения, заведомо неизвестного питания, техногенной инфильтрации, сопротивления ложа водоема, перетекания ожидать может только неспециалист, зная, что изыскания оперируют данными всего по 5-8 скважинам с «неуверенными» уровнями воды.
Вместе с тем ответить на вопрос, произойдет ли ухудшение гидрогеологических условий, нередко можно и без моделирования, на основе опыта и простых расчетов. Аналитические методы гидрогеологических прогнозов, такие приемы, как метод локальных сопротивлений, метод суперпозиций, обеспечивающие эффективность с минимальными затратами, не находят применения.
Часто и необходимости в моделировании нет из-за очевидного ничтожного влияния строительного объекта на подземные воды. Какой подпор может вызвать 3-подъездное строение даже с совершенной врезкой подземной части в грунтовые воды? Как правило, при реальных соотношениях проводимости и питания для градиентов потоков, типовых на междуречьях и склонах, на удалении 50 м подпор составляет не более полуметра (не имеется в виду случай, когда новый фундамент смыкается с соседним). Посчитать это может и студент 4-5-го курса. Чтобы задуматься о ценности таких прогнозов, надо напомнить, что ошибка измерений уровней грунтовых вод достигает 10-30 см из-за «недовосстановления» при бурении, а сезонная амплитуда их колебаний — более 1,5 м.
Эти соображения, конечно, не исключают осложненные условия, например, подтопление оползневых склонов. Но тогда и проект не может не включать в себя дренаж и другие защитные мероприятия. В этом случае задачи формулируются по-другому и в изысканиях неизбежно будут присутствовать специальные исследования, если, конечно, проектировщик обладает необходимыми интуицией и опытом.
Забывая о том, что детерминированный прогноз является завершающей стадией длительных комплексных исследований, на практике модель использует параметры, изучение которых не проводилось. Они назначаются. Последнее время в изысканиях все же фигурируют кратковременные наливы и откачки, в основном в/из не подготовленных должным образом разведочных скважин (иногда в/из забоя), создающие видимость ОФР. Такие опыты являются, как отмечали В.А. Мироненко и В.М. Шестаков, «самым дешевым способом получить ошибочные параметры».
Что можно сказать об идентификации параметров решением обратной задачи? Опытно-фильтрационные исследования в изысканиях отсутствуют. Изученность ограничена границами стройплощадки. Чтобы придать убедительность обратной задаче для пополнения информации по уровням воды, используются архивные скважины без системного анализа, без документации наблюдений, иногда 30-летней давности. При этом почему-то и от инженерно-геологических, и от геодезических изысканий требуется использование только новых данных.
Фондовые скважины не могут служить основой для сопоставления модельных и фактических уровней без:
- журналов гидрогеологических наблюдений;
- коррекции данных измерений по времени.
Первое недоступно «за давностью», второе требует проведения специальных исследований и наличия опорных режимных пунктов, что выходит за рамки финансирования локального строительства. Статистическое сравнение и расчет среднеквадратичного отклонения модельных напоров от натурных не содержат доказательств принадлежности выборки измерений к единой совокупности, без чего эти процедуры являются не более чем наукообразным приемом. Следует проводить или разовую гидродинамическую съемку по скважинам, специально пробуренным в радиусе полукилометра от строительного объекта, или анализ гидрогеологических условий по архивным материалам, результатом которого будет карта гидроизогипс.
Выбор того или другого зависит от степени опасности воздействия объекта на окружающую среду и от финансирования проекта. Методически приемлемым является использование карт гидроизогипс, выполненных специализированными учреждениями, например, в Москве —масштабов 25 000 и 10 000, выполненных ЦИГГЭ в 1980 году и Мосгоргеотрестом в 2009 году соответственно. Они являются продуктом многостороннего анализа данных, но, к сожалению, отсутствуют в свободном доступе. Использование же для решения обратных задач моделирования данных по архивным скважинам, без доказательств, недопустимо, равно как и результатов ОФР без возможности повторной интерпретации. Идентификация параметров может проводиться только путем сопоставления интерполированных свободных от «шума» поверхностей гидроизогипс и модельных напоров.
И самое главное. Для корректного решения обратной задачи в неоднородной области непременным условием являются балансовые показатели или результаты кустовых откачек, а лучше — и то, и другое. Нельзя не отметить, что в рамках локального проекта вообще никак не может быть получен ряд параметров, таких как сопротивление ложа водоема, водоотдача, инфильтрационное питание, параметр перетекания. А на них иногда базируются принципиальные технические и экологические решения.
За слабой обоснованностью и формализмом гидрогеодинамического прогноза следует и низкая достоверность экологического прогноза (прогноза подтопления, деформаций, влияния строительных объектов на водоемы и растительность, устойчивости сооружений, загрязнения) и расчета технических параметров водопонижения. Попытка же дать точные характеристики, например, осадок от метрового водопонижения при сезонной амплитуде колебаний уровня подземных вод 1,5-2,0 м, зная параметрическую ущербность модели, только усиливает недоверие и к результатам, и к квалификации исполнителей. Расчет осадок при водопонижении, требуемый раньше в единичных случаях, а теперь почти повсеместно, весьма формален.
На стройплощадке, где понижения напоров значимы, он не нужен, а за ее границами невозможен, так как там не производится изучение грунтов, деформационные свойства которых могут существенно меняться. Большее внимание следует обратить на влияние водопонижения и строительства на разуплотненные зоны расположенных рядом подземных сооружений, коллекторов. Изменение гидродинамики влияет на возобновление пристенной суффозии, деформацию техногенных грунтов с погребенными полостями, плывунных четвертичных образований и на осадку, которая может быть более опасной, чем миллиметровая компенсация изменения гидростатического взвешивания.
ЛЕХОВ М.В.
Ведущий научный сотрудник геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова