Територія Києво-Печерської лаври займає значну площу і охоплює різні геоморфологічні елементи. Враховуючи складність рельєфу та особливості інженерно-геологічної будови території (наявність в основі пам'яток різних за фізико-механічними властивостями порід, ерозійним розчленуванням рельєфу, високим рівнем ґрунтових вод тощо) широкого розвитку набули екзогенні геологічні процеси, які суттєво впливають на технічний стан та збереженість пам'яток архітектури. Мета даної роботи - визначення характеру поширення екзогенних процесів, чинників, що призводять до їх розвитку, типів деформацій території, будівель та споруд. Актуальність роботи полягає у визначенні впливу тих чи інших процесів на стан пам'яток архітектури та заповідної території.

Серед екзогенних процесів, що розвинені на території Києво-Печерської лаври, виділяється, перш за все, просідання, притаманне лише для лесових ґрунтів, особливістю яких є здатність ущільнювати структуру (просідати) при перезволоженні. Головним чинником, що призводить до просідання, є перезволоження лесових ґрунтів, втрата ними міцності внаслідок подальшого розвитку процесів суфозії. Лесові ґрунти у природному стані характеризуються досить високими міцнісними показниками, проте при додатковому навантаженні або при умові їх перезволоження лесовидні супіски можуть просідати (I тип ґрунтових умов), що призводить до деформації поверхні і окремих споруд. Лесові ґрунти чутливі до тривалого навантаження, яке впливає на значення об'ємної ваги, вологості, пористості. Процес їх стиснення характеризують різні показники коефіцієнта пористості лесовидних супісків (наприклад, під фундаментами Монастирських мурів - 0,3, за їх межами - 0,93) та вологості - відповідно 6,4 % та 5,8 % [1]. Характеристики міцності зменшуються у 2-2,5 рази, а деформаційні - у 5-10 разів (за умови повного водонасищення). На ділянці церкви Спаса на Берестові лесовидні супіски до глибини 10,7 м володіють просідними властивостями - ІІ тип ґрунтових умов за просідністю - сумарна просадка від власної ваги при замочуванні складає 7,2 см [2].

Інтенсивне замочування (аварійні витоки, перезволоження внаслідок інфільтрації атмосферних опадів) лесових ґрунтів та подальше їх просідання неодноразово призводило до деформацій будівель, особливо нерівномірного осідання фундаментів споруд, утворення просідань та провалів денної поверхні.

Рис.1. Оборонна стіна навколо Ближніх та Дальніх печер.

Ерозійний намив ґрунту з тильної сторони у травні-червні 2014 р. Деформування лицьового шару мурування у березні 2015 р.

Так, у травні 1994 р. порив магістрального напірного водогону на Економічному проїзді призвів перезволоження лесових ґрунтів основи корпусу № 7 і, в подальшому, внаслідок їх просідання у стінах корпусу за одну ніч утворились наскрізні вертикальні тріщини з розкриттям до 1 см. У січні 1997 р. довготривалий (дві доби) витік води з тепломережі та її подальша інфільтрація вглиб лесової товщі під фундаменти корпусу № 4 призвели до нерівномірного осідання підмурків та миттєвого утворення тріщин у стінах та склепіннях східної частини корпусу (розкриття тріщин одразу досягало 2-3 мм, згодом збільшилось до 1-2 см). Деформації корпусу № 5 викликані ущільненням ґрунтів в основі будівлі внаслідок підйому рівнів ґрунтових вод, спричинених аварійними витоками з тепломережі і напірного водогону. І таких випадків на території заповідника безліч. Проте, за умови захисту від перезволоження, лесові ґрунти є досить надійною основою для фундаментів різноманітних споруд. Протягом віків збереглися у стійкому стані зведені на лесових ґрунтах ще в ХІ-ХІІ ст. Троїцька надбрамна церква, Успенський собор, церква Спаса на Берестові.

Підтоплення поділяється на явне та приховане. Явне підтоплення - підйом рівня ґрунтових вод та порушення природного режиму зволоження (в т. ч. підтоплення поверхневими водами), що викликає несприятливі зміни геологічного середовища. Приховане підтоплення - підвищення вологості ґрунтів до критичної величини, що викликає вологість у приміщеннях, явища просідання тощо. Головним чинником є акумуляція та пролонгована у часі інфільтрація атмосферних опадів, утворення тимчасового водоносного горизонту, техногенні витоки з мереж.

Значна частина території Нижньої лаври знаходиться в т. зв. зоні виклинення четвертинного водоносного горизонту - першого від поверхні, глибини залягання якого складають 2-4 м, тобто на незначній відстані від фундаментів. Норми залягання рівнів ґрунтових вод від низу фундаментів обумовлені в ДБН В 1.1-25-2009 [3] і складають - 0,5 м від підошви фундаментів та - 1,0 м від підлоги підвалів. Однак ці норми застосовуються для цивільних споруд та промислового будівництва, передбачають заходи з гідроізоляції і абсолютно не враховують специфіку пам'яток архітектури (а саме заглибленість фундаментів, характеристики будівельних матеріалів тощо). І пам'ятки, розташовані та території Нижньої Лаври, потерпають від явного підтоплення.

Обумовлене це складним рельєфом поверхні та інженерно-геологічною будовою території, а ускладнюється гідрогеологічна ситуація залежністю режиму ґрунтових вод на даній території від характеру живлення - інфільтрації атмосферних опадів, головним чином сніготанення. Щорічно навесні за рахунок живлення водоносного горизонту талими та дощовими водами рівень ґрунтових вод підвищується на 0,5-1,5 м та відбувається суттєве збільшення площі водоносного горизонту (або утворення на окремих ділянках тимчасового). В залежності від кількості опадів водоносний горизонт формується на поверхні водотривкої товщі бурих та строкатих глин суцільним шаром, однак здебільше розповсюдження його відбувається латеральними шляхами (по ерозійних улоговинах поверхні водотривкого шару).

Роль своєрідної греблі для потоку ґрунтових вод відіграють підпірні стінки, заглиблені (до речі зовсім на незначну глибину - до 1,0-1,5 м) стрічкові фундаменти будівель. Підвали та цокольні поверхи будівель та споруд майже щорічно підтоплювались (корпуси № 50, 54, 55, 57, 63, 69, 73), щоправда в останні роки виконане часткове дренування ґрунтових вод на території Гостинного двору та навколо окремих пам'яток, що значно покращило ситуацію.

Окремої уваги заслуговують печерні комплекси - най - значніші пам'ятки Києво-Печерської лаври, які найбільше потерпають саме від підтоплення (вірніше - від затоплення), яке також приурочене до весняного сніготанення і довготривалих опадів. Щорічно просочування до печерних лабіринтів ґрунтових та інфільтраційних вод відбувається у сходову галерею Дальніх печер, крипту Батиєм убієнних та відгалуження Біснуватих у Ближніх печерах. Інколи такі явища набувають катастрофічних наслідків. Так, у 1988 р. через перезволоження ґрунтового масиву внаслідок сніготанення сталось аварійне обрушення стін та склепіння у вхідній галереї (наразі даний вхід не функціонує), у травні 2005 р. - по тій же причині вивал ґрунту, об'ємом до 10 м³, у підземну галерею з обрушенням склепіння (т. зв. вул. Батиєм убієнних, відновлена у 2006 р.), у березні 2013 р. - аварійне просочування води зі склепіння та вентиляційного отвору у відгалуженні Біснуватих (за добу до печер потрапляло до 2 м³ води), у квітні того ж року - обрушення склепіння та вивал ґрунту об'ємом до 2-3 м³ біля вентиляційного отвору Дальніх печер. Потерпають ділянки печер, розташовані на незначній глибині - від 2 до 7-8 м.

Приховане підтоплення набуло найбільшого розвитку на території Києво-Печерської лаври. Даний процес зумовлений перезволоженням ґрунтів, що залягають в основі пам'яток, в результаті акумуляції і пролонгованої у часі інфільтрації атмосферних опадів (головним чином сніготанення) та витоків з мереж. Головні чинники - порушення благоустрою (вертикальне планування, замощення, відведення поверхневих вод), незадовільний стан водонесучих мереж. Головні наслідки - перезволоження конструкцій (мурування підмурків та нижньої частини стін) внаслідок капілярного підсосу вологи з ґрунтів основи, деструкція будівельних розчинів (тиньку, в т. ч. і монументального живопису), утворення кристалів солей на поверхні тиньку (також призводять до руйнації монументального живопису), розвиток біоуражень (плісняви та грибів). Від прихованого підтоплення потерпають визначні пам'ятки Лаври - церкви Спаса на Берестові, Всіхсвятська, Аннозачаттіїв - ська, Різдва Богородиці, більшість корпусів на верхній та значна кількість на нижній території Лаври.

Характер зміни вологості ґрунтів до глибини 5 м з метою визначення чинників розвитку процесів прихованого підтоплення вивчався нами на ділянці церкви Спаса на Берестові у 2017 р. Були відібрані проби через кожні 0,5 м із свердловин, влаштованих на поверхнях з різним покриттям: одна - на газоні, решта чотири - на клінкерному замощенні. Характер розповсюдження вологості з глибиною вказує на затруджене випаровування вологи з-під клінкерного замощення у порівнянні з природними умовами. Тобто, опосередковано, клінкерне замощення сприяє накопиченню вологи в ґрунтах основи та подальшому капілярному перенесенню її у будівельні конструкції, що надалі призводить до перезволоження конструкцій, руйнації тиньку та фрескового живопису, розвитку біологічних уражень тощо. Приховане підтоплення зумовлене, вірогідно, акумуляцією поверхневого стоку в локальних пониженнях рельєфу, подальшою інфільтрацією його у товщу насипних ґрунтів (територія на глибину 1,7-2,4м складена насипними ґрунтами) та накопичення вологи саме у насипних ґрунтах внаслідок неможливості вільного випаровування через суцільне клінкерне замощення.

Рис.2. Галерея від Ближніх печер до Дальніх.

Наслідки зсуву, 1971 р.

Окрім того в церкві Спаса на Берестові (в інтер'єрі) нами досліджено характер зміни вологості будівельних розчинів. Найвищі значення вологості будівельних розчинів зафіксовані на рівні підлоги та в інтервалах висот 0,0-0,5 м, вказують на капілярне перенесення вологи з ґрунтів (основи фундаментів та масиву зовні (рівень підлоги церкви знаходиться нижче, ніж рівень денної поверхні) у будівельні матеріали [4]. Таким чином, одним з факторів перезволоження стін є інфільтрація атмосферних опадів та капілярне перенесення вологи вглиб стін церкви (ззовні до внутрішнього об'єму) - тобто приховане підтоплення.

Суфозія - розчинення та вимивання мілких часток з ґрунтового масиву, наслідком яких є утворення провалів та просадок. Місця їхньої локалізації прив'язані до підземних споруд (в т. ч. дренажів мілкого та глибокого закладання, заглиблених інженерних мереж у коро бах тощо), сучасних або давніх, існуючих або не виявлених.

Обов'язковою умовою є наявність локального базису ерозії - своєрідного накопичувального басейну у ґрунтовому масиві (природні або штучні порожнини) або підніжжя схилу. Виділяють механічну (процес винесення частинок ґрунту рухомою водою під дією гідродинамічного напору) та хімічну (розчинення порід водою та винесення розчинів (розчинення карбонату кальцію у складі лесів (складені ним на 30 %) призводить до їх фізичного ущільнення та просідання - т. зв. "лесовий карст") з осіданням вище розміщеної товщі порід) суфозію.

Однією з "арен" розвитку процесів механічної суфозії на території Лаври є схили Лаврського яру, тальвег якого є базисом ерозії. Слід відзначити, що ще до 1890-х років по дну яру протікав ручай, зафіксований на історичних зображеннях. Ручай був засипаний, і у 1903-1906 роках вище корпусу № 72 (галерея від Ближніх печер до Дальніх, через ручай перекинута на цегляних арках) збудовано станцію перекачки водогону - невеличку цегляну споруду з підземним резервуаром для води (інтегрована у споруду сучасного корпусу № 99 у 2000-х роках). За даними інженерно-геологічних досліджень різних років, геологічна будова ділянки складена потужною товщею насипних ґрунтів (до 4-5 м), які підстилаються відкладами яружного алювію (перешарування замулених супісків, суглинків, пісків, з вмістом органіки), потужністю до 10 м. Породи водомісткі, мають усереднений коефіцієнт фільтрації 0,5-1,0 м/доб. За даними СУППР, ще у 1970-х роках при будівництві ДШС-18біс проект було змінено через неможливість проходки внаслідок занадто сильного притоку ґрунтових вод - до проектної довжини штольню не добудовано.

На прилеглій території знаходиться розгалужена мережа інженерних комунікацій (водогін, каналізація, тепломережа, дренажні системи глибокого та мілкого закладання, зливовідвідна каналізація) та споруд (підпірні стіни). Враховуючи складність рельєфу та щільність забудови, можна вважати територію перенасиченою мережами та з потенційно зростаючою складовою еколого-геотехногенного ризику (через вірогідність аварій на мережах). Починаючи з 1994 р., на цій території фіксуються численні аварії інженерних мереж. Найбільша сталась у липні 1999 р. - після пориву тепломережі (який вчасно не виявили, тобто виток води у масив продовжувався принаймні декілька місяців) та подальшого пересичення ґрунтового масиву водою сталось провалля, об'ємом близько 20 м3, біля південно-західного кута корпусу № 44, провалилась теплокамера, пульпу винесло в підземну споруду під корпусом, майже повністю її замуливши. В наступні три роки аварійні викоти з мереж ставались майже щоквартально (12 аварій) і призводили до утворення численних провалів та просадок, витоків води (з дрібними частками ґрунту - т. зв. пульпа) на денну поверхню у вигляді джерел, затоплення підвальних приміщень корпусів № 44, 46, 48а - допоки у середині 2000-х років повністю не були замінені мережі. Однак в пересиченому техногенними і ґрунтовими водами (Лаврський яр - природне русло стоку, засипане і перегороджене фундаментами численних споруд) масиві і надалі відбувались суфозійні процеси (механічний винос часток ґрунту та хімічне розчинення) в підземні порожнини (дренажні галереї та штольневі системи), що призводило до формування в ґрунтовому масиві над ними пустот, які згодом заповнювались, призводячи до утворення на поверхні провалів. Це одна з вірогідних причин утворення провалу біля корпусу № 99 у січні 2017 р., коли на газоні біля південно-західного кута корпусу утворився провал округлої форми розмірами близько 1,6 х 1,2 х 1,6-2,5 м, в який провалилось дерево (кущ бузку). У тілі ґрунтового масиву утворилась порожнина конусоподібної конфігурації, розмірами по низу до 4-5 м за рахунок обрушення бокових стін.

Територія Верхньої лаври, складена з поверхні лесо - вими ґрунтами, також є ареалом розвитку процесів су - фозії - і хімічної, і механічної. Неодноразово аварійні та довготривалі витоки з інженерних мереж призводили до виносу пульпи у підземні споруди. Так, у червні 1993 р. порив магістрального напірного водогону в Митрополичому саду призвів до суфозійного виносу ґрунту разом з водою до підземної споруди № 11 (під Соборним майданом) та майже повного затоплення її частини між корпусами № 2 та 80. У лютому 1994 р. аварія на тепломережі у цокольному приміщенні корпусу № 9 з подальшою інфільтрацією води вглиб ґрунтового масиву призвела до значного виносу ґрунту з-під фундаментів, "відриву" його частини та утворення тріщин по всій будівлі. У листопаді 2000 р. порив магістрального напірного водогону (та невчасне його виявлення) на Соборному майдані призвів до перенасичення ґрунтового масиву водою, виносу ґрунту у штольневий дренажний колодязь ДШС-28 (об'ємом 100 м3), утворення на поверхні провалу розмірами близько 7,0 х 8,0 х 5,0 м. Щорічно з 2005 р. внаслідок зосередженої інфільтрації атмосферних опадів через відсутність благоустрою відбувається винос пульпи у підземну споруду № 4, розташовану на глибині близько 5 м біля північного фасаду корпусу № 4 (вкриває підлогу споруди шаром потужністю 0,2-0,3м). Навесні 2017 р. стався суфозійний винос ґрунту з південного схилу валу Спась - кого бастіону у вигляді намиву пульпи (об'ємом біля 4 м3) навпроти північного фасаду церкви Спаса на Берестові.

Ерозія - змив верхніх горизонтів ґрунту зі схилів при стіканні талих та дощових вод, що утворюють при русі мережу дрібних струменистих вимоїн (площинна) або розмив ґрунту в глибину з утворенням глибоких вимоїн (лінійна). Така ерозія малопомітна, але має катастрофічний характер через масштабність проявів. Ерозія (площинна та лінійна) на території заповідника та його охоронних зон має широкий розвиток на схилах і призводить дійсно до катастрофічних наслідків. Під час потужних злив у травні 2014 р., через засмічення листям зливоприймачів, розташованих на території Гостинного двору, вода стікала по схилу уздовж ділянки № 2 Оборонної стіни навколо Ближніх і Дальніх печер (корпус № 93, пам'ятка архітектури національного значення), розмиваючи його та утворюючи рівчаки. У підніжжі стіни, навпроти корпусу № 60, намило близько 5-6 м³ ґрунту (рис.1), через два тижні під час потужних злив на те ж саме місце намило ще близько 2-3 м³. Вже в березні 2015 р. розпочались процеси деформації Оборонної стіни. Чинники їх встановлені дослідженнями стану підмурків у 2016 р: деформації зумовлені зовнішніми причинами, а саме перезволоженням мурування внаслідок акумуляції повеневих вод та накопиченням змитого потужними зливами ґрунту у травні-червні 2014 р. у підніжжі стіни з західної її сторони. В результаті замулення системи водовідводу вода затрималась стіною (складний рельєф, стіна виконувала роль греблі, стовп води сягав 1 м) на довгий проміжок часу - близько одного місяця. В результаті довготривалого перебування в умовах перезволоження відбулось розшарування різночасових мурувань. Окрім того, в результаті перезволоження ґрунтового масиву відбувається поступове нерівномірне осідання ґрунтів основи і деформації прогресують.

Зсуви - зміщення порід на схилах, що відбуваються під впливом гравітації внаслідок перезволоження ґрунтового масиву та/або за наявності площини ковзання. Розвиток зсувних процесів призводить до насправді катастрофічних наслідків - руйнації пам'яток. Головним чинником їх розвитку є перезволоження верхньої частини ґрунтового масиву як внаслідок природних (інфільтрація атмосферних опадів, підйом рівнів ґрунтових вод, збільшення площі водоносного горизонту), так і внаслідок техногенних (аварійні витоки з мереж, навантаження на схил) чинників. Більшість території Нижньої лаври та частина Верхньої розташовані в зсувній та зсувонебезпечній зонах. Слід відзначити, що навіть головні святині Лаври - Ближні і Дальні печери - потерпали від зсувів ще з 1680-х років і віками вдосконалювались методи їх збереження (захисту від зсувів) [5]. Незважаючи на той факт, що активний розвиток зсувних процесів стабілізувався ще у повоєнні роки (завдяки низці виконаних протизсувних заходів), активізація їх відбувається періодично (як внаслідок природних, так і техногенних чинників), досягаючи інколи катастрофічних наслідків. Так, у 1971 р. стались три зсуви на схилах Дальньопечерного пагорбу, один з яких зруйнував частину Оборонної стіни (корпус № 93) - "знесло" ділянку стіни довжиною близько 100 м.

Таблиця 1. Характеристика екзогенних процесів на території Києво-Печерського заповідника, їх чинники та характерні деформації споруд

Інший зсув зруйнував частину конструкцій Галереї від Ближніх печер до Дальніх (корпус № 72) - було повністю зруйновано чотири опорних стовпи, частину стовпів пошкоджено, засипано ґрунтом нагірну частину галереї (рис.2). У 1995 та повторно у 1998 роках на схилі Ближньопечерного пагорбу поблизу корпусу № 43 стались зсуви, які призвели до відколу кута будівлі.

В останні декілька років на території Дальньопечер - ного пагорбу фіксуються прояви зсувних процесів, які проявляються в утворенні тріщин у конструкціях споруд, тріщин та відколів елементів замощення, нахилі ліхтарних стовпів тощо. Аналіз матеріалів попередніх досліджень вказує, що локалізація цих процесів приурочена до ділянок зсувів, що стались у 1971 р. Характер деформацій свідчить про довготривалий процес деформації ґрунтового масиву, зумовлений постійним перезволоженням та активізацією зсувних процесів. Деформаційні процеси у Дальніх печерах також є наслідком зміни стійкості ґрунтового масиву, а, можливо, і розвитком глибинного зсуву [6].

На території Нижньої лаври, де в основі частини пам'яток залягають глинисті ґрунти монтморилонітового складу (а саме вони є найбільш здатними до поглинання води і відповідно, до набухання), зафіксовано прояви деформацій споруд, викликаних набуханням (збільшенням в об'ємі) ґрунтів основи. Деформації незначні і на перший погляд "несерйозні" - здуття клінкерного замощення та спучен - ня штукатурки на фасадах (навколо корпусу № 44, 68, 98 та ін.). Однак при висиханні ці ж породи дають усадку, що ще більше руйнує оздоблення пам'яток, а подальші процеси фізичного вивітрювання (замерзання-розмерзан - ня) призводять до повної деструкції штукатурного шару.

Таким чином, пам'ятки Верхньої лаври, розташовані в межах лесового плато та верхньої частини його схилів, найбільше зазнають впливу від розвитку процесів прихованого підтоплення, просідання та суфозії, зумовлених зміною фізико-механічних властивостей лесових супісків та суглинків, які залягають в основі більшості споруд, під впливом природних і техногенних факторів (інфільтрація атмосферних опадів, витоки з водонесучих комунікацій тощо). Будівлі, розташовані на брівці схилів плато, зазнають впливу зсувних процесів.

Пам'ятки Нижньої лаври, розташовані здебільшого на схилах, і в основі яких залягають різні за властивостями делювіальні ґрунти, бурі і строкаті глини, що мають здатність до набухання, та піски, потерпають, головним чином, від розвитку зсувних процесів та процесів явного підтоплення; другорядного впливу на їх стан завдають процеси прихованого підтоплення, ерозії, суфозії та набухання.

Характерні деформації будівель і споруд та головні чинники, що до них призводять, наведені в таблиці 1; зонування території Заповідника за розвитком екзогенних геологічних процесів представлене на рис.3.

За кількістю проявів екзогенних процесів на території Києво-Печерської лаври та характером їх впливу на стан пам'яток найбільшого поширення мають процеси прихованого підтоплення (42 пам'ятки), друге-третє місця поділяють процеси просідання (17) та зсувні (17), далі - явне підтоплення (12) та суфозія (10). Визначальними чинниками розвитку всіх процесів є перезволожен - ня ґрунтового масиву, викликане різними факторами, як природними так і техногенними. Основним засобом попередження цих процесів є ретельно виконані роботи з благоустрою навколишньої території, особливо водовід - ведення (як ґрунтових так і поверхневих вод), реконструкція інженерних мереж.

Посилання

1. Котлов В.Ф., Брашнина И.А., Сипягина И.К. Город и геологические процессы. - М.: Наука, 1967. - 228 с.

2. Архипенко О.А., Архипенко А.О. Пам'ятка архітектури національного значення "Церква Спаса на Берестові" / Т.2. Комплексні наукові дослідження / Кн.2.7 Технічний звіт про проведення інженерно-геологічних вишукувань на майданчику реставрації. - К.

3. ДБН В 1.1-25-2009 - "Інженерний захист територій та споруд від підтоплення та затоплення".

4. Черевко І.А., Котляренко І.В. Комплексні дослідження церкви Спаса на Берестові з метою визначення чинників впливу на стан її збереження // Архітектурний вісник КНУБА. - К.: КНУБА, 2017. - Вип.11-12. - С.293-304.

5. Черевко І.А., Головатенко Ю.Г. Історичний аспект формування системи інженерного захисту Ближньопечерного пагорба // Лаврський альманах - 27, спец. вип.10 (Дослідження печерних комплексів Києво-Печерської лаври) - С.362-375.

6. Черевко І.А. Інженерно-геологічні умови Дальньопечерно - го пагорбу в контексті збереження об'єктів культурної спадщини // Збір. наук. праць "Могилянські читання-2015". - К.: НКПІКЗ, 2016 - С.306-313.

Размещено на Allbest.ru