Гідрогеологічні умови території Києво-Печерської лаври та їхній вплив на стан пам’яток

Живлення горизонту відбувається за рахунок розвантаження підземних вод четвертинного водоносного горизонту, атмосферних опадів та техногенних витоків.

підтоплення гідрогеологічний лавра

Рис. 1. Зруйнована дренажна галерея в межах котловану при відновленні корпусу № 57 на території Гостинного двору

Окремо слід виділити тимчасовий водоносний горизонт типу верховодки, який утворюється на поверхні водотривких шарів (моренні суглинки, бурі та строкаті глини), які залягають на незначній глибині на території Нижньої лаври (Господарче подвір'я, Ближньопечерний пагорб, Дальньопечерний пагорб). Вода міститься у насипних та делювіальних ґрунтах (супіски, суглинки), потужність горизонту складає від 1,0 до 2,5 м, глибина залягання коливається від 0,4 до 3,0 м. Водоносний горизонт формується головним чином за рахунок інфільтрації атмосферних опадів та внаслідок витоків з мереж. І хоча потужність його незначна, існування горизонту в часі досягає до 5-7 місяців.

У 1990-ті роки на території Києво-Печерської лаври створено гідрогеологічну мережу спостережень за рівнями ґрунтових вод, яку розширено у 2003, 2007 та 2018 роках. На даний час спостереження ведуться по 17-ти свердловинах на Верхній лаврі і її схилах та по 27-ми свердловинах на Нижній лаврі (Гостинному дворі, Дальньопечерно- му пагорбі, детально - у саду Ближніх печер).

РГВ в межах Верхньої лаври знаходяться на відмітках 178,0-181,0 м, за весь період спостережень (1990-2018 рр.) найвищі рівні спостерігались у 1996 та 2008-2009 роках. В останні роки довготривалі підйоми рівнів фіксувались у свердловинах, розташованих найближче до вул. Лаврської, де проходять міські магістралі водонесучих мереж. Багаторічна амплітуда коливань по режимній свердловині № 1 (розташована біля корпусу № 6) склала 1,7 м.

На території Нижньої лаври (Гостинний двір), де кількість свердловин обмежена, коливання РГВ зазвичай мають циклічний характер - найвищі рівні спостерігаються навесні кожного року, а найнижчі - у зимовий період. Річна амплітуда становить 0,4-1,5 м.

На схилах Лаврського яру ґрунтові води залягають на глибині від 0,9 до 3,2 м від денної поверхні (зафіксовані спостережними свердловинами у саду Ближніх печер) з абсолютними позначками 147,8-161,2 м. Потужність водоносного горизонту складає 1,0-5,0 м. Амплітуда коливань становить 1,2-3,4 м. У верхній частині території водоносний горизонт має постійний характер, у нижній - тимчасовий, формується на поверхні глин під час сніготанення та довготривалого періоду опадів і тримається протягом 6-8 місяців.

Чинники, що призводять до порушення гідрогеологічних умов території. Як показали багаторічні режимні спостереження, основні порушення природного гідрогеологічного режиму обумовлені акумуляцією поверхневого стоку (здебільшого, накопичення снігових мас на локальних ділянках), витоками з водонесучих комунікацій, значним притоком з боку прилягаючої міської забудови, спорудженням будівель на заглиблених пальових основах, ліквідацією існуючих дренажних галерей тощо. Витоки з комунікацій неодноразово призводили до локального формування верховодки, різких підйомів РГВ, затоплення підвалів, перезволоження і деформацій конструкцій будівель тощо. У 1994 році порив тепломережі на території Економічного подвір'я Верхньої лаври призвів до підйому РГВ на 4,6 м, аварії водогонів у 1998-2008 роках неодноразово призводили до підйомів РГВ на 1,5-2,4 м. В результаті відбувалось перезволоження нижньої частини товщі лесових ґрунтів (залягають в основі всіх пам'яток на території Верхньої лаври), їх просідання і, як наслідок, неоднорідне осідання фундаментів споруд з утворенням конструктивних тріщин (корпус № 5 «тріснув» майже навпіл, утворилась тріщина з розкриттям до 5 см). Після неодноразових аварій водогону біля корпусу № 35 у 1995 та 1998 роках в саду Ближніх печер вода витікала у вигляді джерел, перезволожила ґрунтовий масив та призвела до формування масштабних зсувів (до 100 м³ кожного разу).

На території Нижньої лаври гідрогеологічна ситуація, де глибина залягання РГВ становить 1,1-4,5 м, ускладнюється залежністю режиму ґрунтових вод від характеру живлення - інфільтрації атмосферних опадів, головним чином сніготанення. Щорічно навесні за рахунок живлення водоносного горизонту талими та дощовими водами РГВ підвищуються на 0,51,5 м та відбувається розширення площі водоносного горизонту (або утворення тимчасового).

Рис. 2. Утворення та розповсюдження тимчасового водоносного горизонту на території саду Ближніх печер (Ближньопечерний пагорб) у лютому 2019 року

Роль своєрідної греблі для потоку ґрунтових вод відіграють підпірні стінки, заглиблені стрічкові фундаменти будівель.

Суттєвого негативного впливу на усталені віками гідрогеологічні умови території завдала реабілітація території Гостинного двору Нижньої лаври. Гостинний двір сформувався в історичні часи і вже навіть у ті часи будівлі споруджувались в умовах високого залягання рівнів ґрунтових вод, що враховувалось при будівництві - проектувались дренажні галереї навколо (як зовні, так і всередині) фундаментів споруд. Під час реставрації та реабілітації історичних будівель та зведення нових споруд, при плануванні території та влаштуванні фундаментів протягом останніх десятиліть зафіксоване порушення розгалуженої мережі цегляних дренажних галерей та водовідводів, які зводились у ХІХ ст. При зведенні у 2004 році двох нових корпусів (за сучасною нумерацією № 65 та 65 а) було порушено і виключено з роботи цегляну галерею, що проходила на глибині біля 3-х метрів з півночі на південь - поперек потоку ґрунтових вод.

Під час реконструкції корпусу № 57 (а саме влаштування плитних та пальових фундаментів) у 2012 році було розібрано та виключено з роботи три цегляні дренажні галереї: дві уздовж потоків ґрунтових вод з північної та південної сторін, одну - поперек потоку, яка проходила на глибині біля 3-х метрів під корпусом № 57 (з нагірної, західної сторони) та декілька дренажних вусів (цегляні галереї, поперечним перетином 0,2 х 0,25м). Згодом північну поздовжню галерею було переключено в міську дощову каналізацію, що проходить уздовж північного фасаду корпусу № 56. Південну поздовжню галерею заглушено з обох боків (закладено цеглою). Поперечну галерею, перетином 0,5 х 0,6 м, було розібрано повністю в межах котловану і навіть не заглушено (рис. 1).

Ліквідація частини дренажної системи Гостинного двору, яка протягом майже півтора століття регулювала гідрогеологічну ситуацію на території, може суттєво вплинути на стан будівель. Не виключено, що саме порушення цієї системи призвело до наступної ситуації:

- ґрунтові води надходять усталеними шляхами до місць їх розвантаження (в даному випадку - дренажної галереї);

- фактична відсутність місця розвантаження призводить до накопичення зайвої води у ґрунтовому масиві, підйому рівнів ґрунтових вод та створення баражного ефекту;

- збільшення гідродинамічного напору змушує ґрунтові води вишукувати нові шляхи розвантаження, тобто призводить до перенаправлення їх потоків.

Таким чином і відбувається підтоплення частин лінійних споруд.

Рис. 3. Зони розповсюдження ґрунтових водоносних горизонтів

Підпірні стіни та заглиблені фундаменти відіграють роль своєрідної греблі для потоку ґрунтових вод. Підпірні стіни уздовж північного фасаду корпусів № 36-48 та західного фасаду корпусу № 43 затримують потік ґрунтових вод, створюють баражний ефект, призводять до утворення тимчасового водоносного горизонту, в подальшому відбувається перезволоження ґрунтового масиву та розвантаження утвореного водоносного горизонту в розташовані на глибині лише біля 6-8 м лабіринти Ближніх печер. Масивні підпірні стіни уздовж вул. Ближньопечерної та уздовж ділянки № 3 Оборонної стіни навколо Ближніх та Дальніх печер, зведені на заглиблених на 15-20 м вглиб ґрунтового масиву палях 0 800 мм, перекрили водоносний горизонт і створили умови для перенаправлен- ня потоків ґрунтових вод напору внаслідок виникнення баражного ефекту від пальової основи.

Вплив гідрогеологічних умов на стан пам'яток. Підйом РГВ та утворення тимчасового водоносного горизонту призводять до підтоплення заглиблених фундаментів будівель та споруд, підвальних та цокольних поверхів, перезволоження будівельних конструкцій та подальшої їх деформації. Перезволоження нижньої частини просадної лесової товщі, яка залягає в основі пам'яток Верхньої лаври, призводить до ущільнення порід та, як наслідок, нерівномірного осідання частин будівель з утворенням тріщин у конструкціях.

Найбільше потерпають від підтоплення печерні комплекси - найзначніші пам'ятки Києво-Печерської лаври.

Підтоплення печерних комплексів приурочене, здебільшого, до весняного сніготанення, рідше - до періодів довготривалих опадів. Неодноразово підтоплення комплексів було викликане техногенними чинниками. Дальні печери постійно потерпають від просочування до лабіринтів ґрунтових та інфільтраційних вод. У Ближніх печерах такі явища спостерігаються рідко, зате набувають катастрофічних наслідків. Так, у 1988 р. через перезволоження 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 року - 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.

За багаторічний період режимних спостережень за РГВ в саду Ближніх печер [2] зафіксоване щорічне збільшення площі розповсюдження водоносного горизонту навесні внаслідок сніготанення та інфільтрації атмосферних опадів і зменшення його в сухі періоди року (рис. 2). Інфільтрація атмосферних опадів призводить до перезволоження ґрунтового масиву, підйому РГВ та подальшого розповсюдження водоносного горизонту в бік печерних лабіринтів латеральними шляхами (спочатку по улоговинах еродованої поверхні шару бурих та строкатих глин, надалі - суцільно по всій площі). Накопичення води над печерами зумовлене і затримкою її підпірною стіною світлового прорізу уздовж корпусів № 36-48.

На території Дальньопечерного пагорбу безпосередньо над Дальніми печерами щорічно фіксується утворення на поверхні глин та в ерозійних улоговинах, заповнених проникними ґрунтами, тимчасового водоносного горизонту, який при незначній глибині залягання має доволі значну потужність - до 2,5 м [3]. І хоча потужність його незначна, існування горизонту в часі досягає до 5-7 місяців, а винайдені за багато років латеральні шляхи його розвантаження щорічно призводили до підтоплення корпусу № 73 та Дальніх печер (просочування саме ґрунтової води у сходову галерею Дальніх печер (на глибині біля 7-8 м) тільки після сніжних зим та затяжних опадів, коли внаслідок інфільтрації атмосферних опадів утворюється водоносний горизонт).

Зміна гідрогеологічних умов завдає негативного впливу і на лінійні (видовжені) споруди на території Нижньої лаври.

Конструкції галереї до Ближніх печер мають пошкодження у вигляді горизонтальних тріщин у цоколі довжиною до 4-5 м зі зміщенням цегляної кладки, деформації дерев'яного внутрішнього оздоблення (спучення) стін та підлоги тощо. Споруда розташована на доволі крутому схилі Ближньопечерного пагорбу, перепад абсолютних відміток денної поверхні змінюється від 167 до 142 м, що передбачає залягання в основі фундаментів різних за генезисом та міцнісними характеристиками ґрунтів. Ґрун - тові води залягають на глибині від 0,9 до 3,2 м, амплітуда коливань становить 1,2-2,6 м. У верхній частині території водоносний горизонт має постійний характер, у нижній - тимчасовий, формується на поверхні глин під час сніготанення та довготривалого періоду опадів і тримається протягом 6-8 місяців.

За висновками фахівців ВЦБК КНУБА, деформації мають характер зрушення при упиранні в стійку споруду (у нашому випадку - дзвіницю, корпус № 38). Судячи з кількості деформацій і їх прогресуючого розвитку, причина знаходиться під поверхнею схилу, як наслідок зміни інженерно-геологічних умов через зміну напрямків і кількості водних потоків з територій, що розташовані вище [4]. Спостереженнями за розкриттям сигнальних гіпсових маяків та за РГВ підтверджено, що деформації споруди прогресують лише після перенасичення водою верхнього шару глин, тобто в результаті утворення тимчасового водоносного горизонту та подальшого розвитку деформацій повзучості в товщі глин (володіють реологічними властивостями, що провокує розвиток деформацій повзучості пластичного характеру, які можуть проявлятися як в природних, так ще більше в прогнозних умовах (водонаси- чення) по неглибоких поверхнях ковзання).

Оборонна стіна навколо Дальніх та Ближніх печер, протяжністю 1039 м, розташована на складному рельєфі, що має перепади абсолютних відміток від 116 до 187 м і відповідно різні за фізико-механічними властивостями ґрунти в основі фундаментів. Фундаменти стін, глибина закладання яких становить 1,5-3,0 м, залягають нижче РГВ, тобто підтоплюються. Це призводить до нерівномірного осідання частин фундаментів і утворення деформацій у муруванні (тріщини, відокремлення блоків мурування, деструкції розчину та цегли мурування тощо).

Шляхи регуляції гідрогеологічних умов території з метою захисту пам'яток від підтоплення. За даними багаторічних спостережень за РГВ на території Києво-Печерської лаври виділено декілька зон підтоплення ґрунтовими водами пам'яток, а саме: Ближньопечерний та Дальньопечерний пагорби, території Гостинного двору та Господарчого подвір'я Нижньої лаври, верхів'я Лаврського яру (рис. 3). Найзначнішого негативного впливу підтоплення завдає печерним комплексам.

Загалом вирішувати проблему необхідно комплексно, однак до кожного об'єкта потрібен індивідуальний підхід. В комплекс заходів, які необхідно виконати, мають входити:

- заміна (реконструкція) інженерних водонесучих мереж, в т. ч. і на прилягаючій міській території;

- розробка та впровадження в дію проектів відводу ґрунтових вод (дренаж, бажано неруйнівними методами), влаштування у підпірних стінах та, в деяких випадках, заглиблених фундаментах лінійних споруд, розвантажувальних отворів;

- розробка та впровадження в дію проектів благоустрою, а саме відведення поверхневих вод (реконструкція існуючих та влаштування нових водовідвідних лотків, вертикальне планування та дернування денної поверхні тощо);

- влаштування гідроізоляції фундаментів з супутнім (в разі необхідності) влаштуванням дренажів мілкого закладання в їх основі.

Вибір методу дренування ґрунтових та інфільтраційних вод над печерними полями має бути обумовлений необхідністю зберегти в недоторканості ґрунтовий масив, що вміщує печери. Дренажні виробки мають бути розташовані поза печерним полем, оскільки будь-яке втручання в ґрунтовий масив може призвести до непоправних наслідків. Раціональним методом дренування в даних умовах, з урахуванням складної геологічної будови території, є однопроменевий горизонтальний дренаж. Кількість дренажних свердловин має визначатись у зворотному до вимог нормативних документів порядку: не з розрахунку відбору максимального притоку, а з урахуванням, в першу чергу, необхідності ефективно відсікти потоки ґрунтових та інфільтраційних вод від печерного поля і, в другу чергу, можливості їх оптимального розташування в складних геологічних та геоморфологічних умовах (крутий схил) і з урахуванням існуючої щільної забудови.

Посилання

1. Рибін В.Ф., Демчишин М.Г., Черевко І.А., Куциба В.О. та ін. Розробити методику та обґрунтувати моніторинг геологічного середовища зон історичної забудови м. Києва з метою охорони історико-архітектурних пам'яток // Звіт про НДР № держреєстр. 15-2001 - К.: ІГН НАН України, 2001. - 197 с.

2. Черевко І.А., Куциба В.О., Моргун І.П. Гідрогеологічні умови території Ближньопечерного пагорбу, їх вплив на стан печер та засоби регуляції // Болховітіновський щорічник. - К., 2015. - С. 49-60.

3. 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.

4. Бєлов І.Д., Дєдов О.П., Бугаєнко Н.М. Звіт про проведення технічного обстеження корпусу № 37 - «Галерея до Ближніх печер» Свято-Успенської Києво-Печерської Лаври // Випробувальний центр будівельних конструкцій КНУБА. - 2016. - 67 с.

Размещено на Allbest.ru