ENGINEERING AND GEOLOGICAL SUBSTANTIATION OF THE CONCEPT AND STRUCTURE OF COMPLEX MONITORING OF SOME ARCHITECTURAL AND HISTORICAL MONUMENTS IN HANOI

Дашко Р.Э.¹, Нгуен Тьен Чунг²

¹Доктор геолого-минералогических наук, Санкт-Петербургский Горный университет

²Аспирант, Санкт-Петербургский Горный университет

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ И СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА НЕКОТОРЫХ АРХИТЕКТУРНО-ИСТОРИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ В ХАНОЕ

Аннотация

Предложена концепция и структура комплексного инженерно-геологического мониторинга архитектурно-исторических памятников Ханоя. Анализируется специфика инженерно-геологических и гидрогеологических условий в пределах исторического центра Ханоя. Рассматриваются природные и техногенные факторы, оказывающие влияние на развитие различных процессов и деформаций архитектурно-исторических памятников. Предлагается содержание объектного инженерно-геологического мониторинга для Ханойского Кафедрального собора и Ханойской Флаговой башни.

Ключевые слова: архитектурно-исторические памятники, деформации, инженерно-геологический мониторинг, природные и техногенные факторы, структура мониторинга.

Dashko R.E.¹, Nguyen Thien Chung²

¹PhD in Geology and Mineralogy, St. Petersburg Mining University

²Postgraduate student, St. Petersburg Mining University

ENGINEERING AND GEOLOGICAL SUBSTANTIATION OF THE CONCEPT AND STRUCTURE OF COMPLEX MONITORING OF SOME ARCHITECTURAL AND HISTORICAL MONUMENTS IN HANOI

Abstract

The concept and structure of complex engineering and geological monitoring of architectural and historical monuments of Hanoi are proposed in the paper. The specificity of engineering, geological and hydro-geological conditions within the historical center of Hanoi is analyzed. Natural and man-made factors influencing the development of various processes and deformations of architectural and historical monuments are considered in the work. The content of the object engineering and geological monitoring for the Hanoi Cathedral and the Hanoi Flag Tower is proposed.

Keywords: architectural and historical monuments, deformations, engineering and geological monitoring, natural and technogenic factors, monitoring structure.

Ханой - сосредоточение архитектурно-исторических памятников, многие из которых включены в список объектов Всемирного культурного наследия и находятся под охраной ЮНЕСКО. Эти здания и сооружения требуют внимательного отношения с целью их сохранения и последующего функционирования. В настоящее время проблема обеспечения длительной устойчивости архитектурно-исторических памятников имеет особое значение в Ханое, где размещаются около 5900 памятников истории и культуры. Двести одиннадцать памятников испытывают длительные, серьезные и неравномерные деформации под влиянием ряда природных и техногенных факторов, что способствует развитию трещин в их несущих конструкциях, например, Ханойский Кафедральный собор, Доанмон ворота и Ханойская Флаговая башня и т.д.

Инженерно-геологическое обоснование необходимости организации и развития мониторинга в данной статье рассматривается для двух объектов, имеющих архитектурно-историческое, а также важное культурное значение: Ханойская Флаговая башня (1812 г.) и Ханойский Кафедральный собор (1886 г.) (рис. 1, 2).

Соответственно, возраст выше названных исторических зданий составляет 204 и 130 лет.

Рис. 1 - Ханойская Флаговая башня

Рис. 2 - Ханойский Кафедральный собор

Устойчивость архитектурно-исторических памятников в Ханое зависит не только от срока их функционирования, но и определяется сложными инженерно-геологическими условиями, изменением гидродинамической ситуации при использовании подземных вод неглубоко залегающего напорного водоносного горизонта, высокой степенью контаминации грунтовых вод и их агрессивностью по отношению к материалам подземных конструкций, периодическими затоплениями Ханоя при повышении уровня р.Красной в период выпадения дождей. Кроме того, необходимо учитывать, что Ханой расположен в сейсмической зоне.

В основании рассматриваемых памятников прослеживаются слабые водонасыщенные песчано-глинистые грунты, содержащие органические остатки с различной степенью их разложения свиты Хайхынг (lbIV^1-2hh₁) и Тхайбинь (аlbIV³tb_1,2) ( рис. 3) [2]. Отмечается значительная контаминация подземной среды, что выражается в изменения химического состава грунтовых вод – повышение содержания органических соединений, азота, серы, минерализации, снижения величины pH и Eh. Контаминация подземной среды стоками из систем водоотведения, прежде всего, канализационной системы приводит не только к негативным преобразованиям песчано-глинистых грунтов, но и сопровождается ростом численности и разнообразия подземной микробиоты, повышением содержания белков, липидов и углеводов -  питательного и энергетического субстрата для микроорганизмов, что увеличивает биокоррозионную способность грунтовых вод и водонасыщенных грунтов по отношению к строительным материалам.

Рис. 3 - Схема распространения слабых водонасыщенных грунтов свиты  Хайхынг (lbIV^1-2hh₁) [2]

Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время водоснабжение в Ханое осуществляется за счет эксплуатации напорного водоносного горизонта плейстоцена (Qp). Длительное использование подземных вод этого горизонта привело к образованию обширной депрессионной воронки, что определило оседание земной поверхности в пределах изучаемой территории, а также далеко за ее пределами. В районах Бадинь и Хоанкем, где располагаются Ханойская Флаговая башня и Ханойский Кафедральный собор - оседание поверхности превысило 30 см и местами составляло 60 см, при этом мощность слабых грунтов превышала 10 м [4].

Вполне понятно, что деформации оседания поверхности при снятии напоров и повышения сжимающих напряжений в слабой грунтовой толще кардинально влияют на устойчивость зданий и особенно с большими сроком их эксплуатация.

Ханойская Флаговая башня является одним из символов города. Башня построенная в 1812 году во время последней феодальной династии (династия Нгуен), в отличие от многих других зданий Ханоя, не была разрушена. Во времена французского господства над Вьетнамом (1885-1954 год), она использовалась для наблюдения за окрестностями и как точка сообщения между штаб-квартирой и отдаленными военными постами. Её высота превышает 33 метра, а вместе с национальным флагом составляет более 40 метров. Эта красивая архитектурная достопримечательность представляет собой пирамиду с гранями, которая состоит из трех нижних этажей и собственно башни, построенных из кирпича.

• Первый этаж: каждая боковая сторона имеет длину в 42,5 м и высоту 3,1 м.
• Второй этаж: длина сторон достигает 27 м и высота - 3,7 м.
• Третий этаж с длиной 12,8 м и высотой 5,1 м.
• Восьмигранная башня высотой 21,5 м

Грунтовые воды характеризуется значительной загрязненностью и неравномерным в пределах площади размещения Башни содержанием макрокомпонентов и основных контаминантов. Особенности химического состава грунтовых вод свидетельствуют об их загрязнении канализационными стоками [3, 5] (табл.1).

Кроме того, видно, что башня практически полностью покрыта биообрастаниями-биопленками различного состава: микроскопические грибы, бактерии, водоросли, мхи, лишайники (рис. 4, 5, 6, 7). Продолжительному развитию биопленок способствовало не только высокая влажность воздуха (влажный тропический климат), поступление органических веществ из окружающей среды, капиллярное движение влаги в строительном материале, но и процессы химической (солевой) коррозии, а также многочисленные трещины за счет деформации грунтов основания. В результате взаимосвязанных процессов физико-химической и биологической коррозии поверхностный слой кирпичной кладки претерпел существенные изменения. Деструкции подвергаются и другие материалы: бетон, штукатурное покрытие, каменная кладка.

Таблица 1 – Некоторые показателей химического состава грунтовых вод в основании Ханойской Флаговой башни и Ханойского Кафедрального собор

Содержание		Название сооружения
		1		2
		Водоносные горизонты
		Qh	Qp	Qh	Qp
Катион, мг/дм3	Na+	52,92	38,73	20,84	9,72
	NH4+	30,64	10,30	21,74	18,52
	Ca2+	61,01	40,36	95,12	40,03
	Mg2+	19,97	16,28	25,01	12,37
	Fe2+	10,25	3,85	12,33	11,33
	Fe3+	23,07	12,09	0,47	0,42
Анион, мг/дм3	Cl-	35,80	28,13	21,02	18,67
	SO42-	21,64	15,21	23,56	12,60
	HCO3-	436,40	279,57	369,27	220,09
	NO2-	14,05	6,24	<0,03	<0,03
	NO3-	4,83	2,55	1,2	1,1
Минерализация мг/дм3		521	370	780	340
pH		7,6	7,5	7,2	7,1
Общая жесткость мг-экв/дм3		6,02	3,31	7,08	2,57

Примечание: 1 - Ханойская Флаговая башня, 2 – Ханойский Кафедральный собор, Qh - Голоценовый водоносный горизонт, Qp - Плейстоценовыйводоносный горизонт

Рис. 4 - Образование трещин на северном фасаде первого этажа Ханойской Флаговой башни (Ханой-2016)

Рис. 5 - Образование трещин и биообрастаний биопленок различного состава на восточном фасаде первого этажа Ханойской Флаговой башни

Рис. 6 - Образование трещин и биообрастаний на северном фасаде второго этажа Ханойской Флаговой башни (Ханой-2016)

Рис. 7 - Образование трещин и биообрастаний на восточном фасаде первого этажа Ханойской Флаговой башни (Ханой-2016)

Ханойский Кафедральный собор построен на месте пагоды Бао Тхиен – буддийской святыни XI века. Новый храм открылся на Рождество 1886 года Римско-католической архиепархией Ханоя. Своей архитектурой неоготические здание напоминает собор Парижской Богоматери во Франции - с двумя квадратными высокими колокольнями и арочными окнами. Интерьер оформлен в традициях средневековых европейских храмов. Своды нефа и стены отделаны деревянной резьбой с позолотой. Витражи для стреловидных оконных арок привезены из Франции. Каждую из двух башен оснастили пятью колоколами. Дань местным обычаям – статуя Девы Марии установлена в левой части нефа.

В верхней части разреза основания собора присутствуют слабые пылевато-глинистые грунты с органическими остатками различной степени разложения свиты Хайхынг (lbIV^1-2hh₁) и Тхайбинь (аlbIV³tb_1,2), имеющие мощность до 10 м и более [1]. Химический состав грунтовых вод, как и в первом случае (Флаговая башня) определяется загрязнением за счет утечек из систем водоотведения.

Анализ химического состава воды свидетельствует о выраженной анаэробной обстановке: достаточно высокое содержание восстановленных форм азота NH₄⁺ и частично восстановленных - нитритов NO₂^-, а также двухвалентного железа (см. табл.) [3, 5]. При определении этих компонентов в лабораторных условий происходит их быстрое окисление и переход в форму нитратов NO₃^-. В то же время содержание нитратов ниже, чем нитритов. Наличие кальция и магния является следствием выщелачивания растворов и разрушения конструкций материалов фундаментов. Следует также отметить, что определение pH в лабораторных условиях при таком составе воды дает завышенные значения. Определение pH in situ значительно ниже на 3,0 - 3,5 единицы. Таким образом, в реальных условиях pH будет достигать pH = 4 – 3,5.

Необходимо также обратить внимание на обследование фасада Кафедрального собора в Ханое, которое свидетельствует о наличии значительного биологического повреждения (рис. 8, 9, 10, 11). Собор построен из кирпича, однако штукатурное покрытие в наибольшей степени страдает от воздействия внешних факторов. Прежде всего, к ним следует отнести климатические условия (высокая влажность), а также высокий уровень атмосферных загрязнений. Оседающие частицы из атмосферы способны вызывать не только изменение цвета облицовочного материала, но и катализировать деструктивные процессы (химическая и биологическая коррозия). В составе загрязнителей атмосферы в городской среде содержатся органические вещества (например, алифатические и ароматические углеводороды), которые могут быть использованы микроорганизмами в качестве источников питания. Вероятно, высокая влажность и повышенный уровень атмосферного загрязнения и послужили причиной развития биопленок, которые покрывают значительную часть фасада Кафедрального собора. Они изменили его цвет до серо-черного. В составе биопленок в подобных условиях доминируют темноокрашенные микроскопические грибы, бактерии (особенно часто преобладают цианобактерии), а также микроскопические водоросли (Chlorophyta). Распределение темных налетов на поверхности Собора неравномерное, что объясняется наличием зон повышенного увлажнения и расположением рельефных элементов фасада. Наиболее темные участки облицовки расположены в нижней части здания, где штукатурное покрытие подвержено значительной деструкции. Можно выделить следующие типы повреждения облицовки фасада Кафедрального собора:

- шелушение и отслаивание штукатурного покрытия, наблюдаемое на открытых участках стен, а также в оконных заполнениях;

- осыпание штукатурного покрытия, образование выбоин (местами до кирпичной кладки);

- местами на поверхности штукатурного слоя образуется черная корка, которая отслаивается и осыпается. Вероятно, такой тип повреждения материала связан с образованием гипса (гипсовая корка или обогащенная гипсом патина);

- трещиноватость материала (наличие макро- и микротрещин). В местах глубоких трещин образуются выбоины (до кирпичной кладки);

- биопленки различной плотности серо-черного цвета; наиболее плотные биопленки формируются в местах движения влаги, что хорошо заметно под кровлей (верхний козырек); такие пленки типичны для городской среды и обычно образуются во влажном климате при высоком атмосферном загрязнении; в их составе доминируют темноокрашенные микромицеты, а также бактерии. Биопленки зеленого цвета (с доминированием зеленых водорослей) зафиксированы в центральной части Собора, под часами. На фасаде отчетливо видны следы реставрационных работ (расчистки, заделка трещин).

Развитие деформации собора напрямую связано с наличием слабых грунтов в основании сооружения. Следует также отметить о том, что Флаговая башня и Кафедральный собор расположены вблизи эксплуатационных скважин для водоснабжения Ханоя, что несомненно активизирует процессы трещинообразования в несущих конструкциях рассматриваемых памятников за счет развития деформации земной поверхности при снятии напоров.

Рис. 8 - Образование трещин в стенах, на купольном окне и биопленки различной плотности серо-черного цвета на северо-западном фасаде Ханойского Кафедрального собора (Ханой-2016)

Рис. 9 - Образование трещин в стенах и на купольном окне на южно-восточном фасаде Ханойского Кафедрального собора (Ханой-2016)

Рис. 10 - Образование трещин в стенах, на купольном окне и биопленок различной плотности серо-черного цвета - фрагмент северо-западного фасада Ханойского Кафедрального собора (Ханой-2016)

Рис. 11 – Формирование трещин в дорожном покрытии вблизи Ханойского Кафедрального собора (Ханой-2016)

Рис. 12 - Блок - диаграмма формирования концепции, структуры и содержания объектного мониторинга некоторых архитектурно-исторических памятников Ханоя

В настоящее время комплексный мониторинг состояния компонентов подземного пространства и их влияния на устойчивость и безопасность функционирования сооружений в отдельных районах, а также наиболее значимых объектов городов практически не проводится. Обычно создание и проведение мониторинга ограничивается геодезическими наблюдениями за деформациями зданий, ценность которых обычно базируется на его возрасте, предназначении, необходимости их использовании в будущем как культового, культурного либо архитектурного памятника (сооружения) [1]. При этом, не уделяется должного внимания разрезу основания здания, в том числе изменению состояния и свойств грунтов во времени, варьированию гидродинамических условий водоносных горизонтов, их химического состава и агрессивности вод по отношению к конкретным строительным материалам подземных конструкций исследуемых сооружений. Особенности динамики деформаций зданий должны быть увязаны с состоянием компонентов подземного пространства в зоне воздействия наблюдаемого объекта.

Соответственно, концепция объектного мониторинга сооружения должна базироваться на специфике взаимодействия, в нашем случае, архитектурно-исторического памятника с многокомпонентным подземным пространством, границы которого ограничиваются зоной основания. Однако, если придерживаться традиционной трактовки понятия «основание сооружения», то его размеры будут ограничиваться только изменением напряженного состояния грунтов за счет давления от сооружения при действии сжимающих напряжений σ_z на горизонтальных площадках. В реальных условиях при учете природных и техногенных факторов воздействия границы зоны основания значительно расширяются и при назначении содержательной части мониторинга и ее структуры необходимо предусмотреть изучение тех преобразований в подземной среде, которые предопределяют длительную устойчивость исследуемого сооружения при негативном изменении несущей способности грунтов, интенсификации развития неравномерных осадок и, соответственно, развития трещинообразования в несущих конструкциях.

Следовательно, необходимо создать структуру объектного мониторинга, в которой анализируется влияние природных и техногенных факторов, воздействующих на возникновение и развитие деформаций изучаемых сооружений (рис. 12). Как уже отмечалось ранее, рассматриваемые архитектурно-исторические памятники функционируют в районах развития слабых водонасышенных песчано-глинистых грунтов, которые относятся к отложениям, характеризующихся квазипластичным состоянием и низкими модулями общей деформации. Кроме того, исследования показали, что в Ханое прослеживаются опасные экзогенные и эндогенные процессы и явления, которые воздействуют на изменение состояния и физико-механических свойств грунтов в основании сооружений. Так например, снижение уровня подземных вод в процессе их использования для водоснабжения приводит к существенному росту эффективных напряжений, что определяет уплотнение песчано-глинистых грунтов, деформацию земной поверхности и, как следствие, развитие дополнительных осадок построенных зданий и сооружений, особенно опасных для архитектурно-исторических памятников, которые исчерпали свой эксплуатационный ресурс. Необходимо подчеркнуть, что исторический центр Ханоя практически находится в зоне влияния плотной застройки, а также подтопления и затопления, что связано с значительным количеством годовых атмосферных осадков (1015 - 2536 мм в год) и гидрологическими особенностями р.Красной. Эти процессы приводят к ухудшению физико-механических свойств грунтов. Увеличение агрессивности подземных вод наблюдается за счет их загрязнения утечками из системы канализации. Следует также принимать во внимание, наличие прослоев и линз торфов в разрезе основания, что значительно повышает не только деформационную способность слоистого основания под действием статического давления и вибраций, но и способствует развитию микроорганизмов различных физиологических групп (бактерий, микромицетов, актиномицентов, микроводорослей). Активность подземной микробиоты приводит к развитию биокоррозионных процессов строительных материалов подземных конструкций. Кроме того, капиллярное поднятие грунтовых вод, обогащенных микробиотой и увлажнение стен зданий дает возможность для развития биокоррозионных процессов на первых этажах зданий выше дневной поверхности.

Структура объектного мониторинга показана на рис. 12. Содержание объектного мониторинга Ханойская Флаговая башня и Ханойского Кафедрального собора должно реализовываться по следующим направлениям.

1. Наблюдения за изменениям состояния и физико-механичесих свойств грунтов в основании зданий под воздействием природных и техногенных факторов.
2. Проведение режимных наблюдений и контроля гидрогеологических условий за изменениям химического состава грунтовых вод, окислительно-восстановительной и кислотно-щелочной обстановками для оценки их агрессивности по отношению к подземным конструкциям.
3. Наблюдения за снижением уровня подземных вод водоносных горизонтов Qh и Qp для оценки роли этого процесса в развитии де­формаций башни и собора.
4. Наблюдения за биохимической газогенерацией для оценки состава газов (метан, углекислый газ, азот, сероводород, водород). По содержанию CO₂, H₂S и Н₂ определяют агрессивность подземной среды по отношению к конструкционным материалам. Накопление метана, азота и водорода как малорастворимых газов создают газодинамические давления, что способствует изменению напряженно-деформированного состояния грунтов в основании сооружений.
5. Влияние вибрационных воздействий наземного и подземного транспорта (проект трассы метрополитена Намтханглонг - Чанхынгдао) на изменение напряженного состояния грунтов в основании зданий, разжижение грунтов и развитие дополнительных осадок.
6. Проведение геодезических наблюдений за деформациями по реперам: поверхностным и глубинным, при этом последние устанавливаются там, где отмечается выпор грунта из-под сооружения. Так, например, такие деформации характерны в зоне влияния Ханойского Кафедрального собора (рис. 11).
7. Установка маяков по зафиксированным и выявленным трещинам в стенах Флаговой башни и Ханойского Кафедрального собора для контроля степени, характера и динамики раскрытия трещин.
8. Специализированные исследования природы коррозии фундаментов зданий, стен и других несущих частей здания в зависимости от типа конструкционных материалов, степени их увлажнения, химического состава грунтовых вод и их микробной пораженности.
9. Отбор проб образцов для постоянного контроля за состоянием штукатурного покрытия, образования выбоин в стенах сооружений за счет изменения физико-химических условий и развития агрессивных микроорганизмов.

Следует отметить, что методы и методика проведения такого мониторинга должны рассматриваться как самостоятельное исследование. Таким образом, создается система комплексного объектного мониторинга для Ханойской Флаговой башни и Ханойского Кафедрального собора, что позволит определить основные факторы, связанные с спецификой их деформирования и предложить рекомендации по проекту их реконструкции и реставрации для обеспечения их длительной устойчивости. Кроме того, для архитектурно-исторических памятников следует создать специальные нормативы по охранным зонам, в пределах которых запрещается проведение каких-либо строительных работ, в первую очередь, устройство глубоких котлованов и других подземных сооружений даже с применением щадящих технологий.

Список литературы / References

1. Королев В.А. Мониторинг геологической среды /В.А. Королев. - М. : МГУ, 1995. - 272 с.
2. Нгуен Дык Мань, Дашко Р.Э. Некоторые проблемы освоения и использования подземного пространства в сложных инженерно-геологических условиях города Ханой// Инженерная геология. – 2010. - № 3. - С. 56-61.
3. Фам Куи Нань. Отчет происхождения и распространения аммиака, мышьяка в водоносных горизонтах равнины р.Красной/ Фам Куи Нань. – Ханой : Организация международного кооператива и развития Швеции, 2008. - 88с. (на вьетнамском языке)
4. Фи Хонг Тхинь Опасные геологические процессы на территории Ханоя / Фи Хонг Тхинь, Строкова Л.А.// Вестник Томского государственного университета. - 2011. - №309. - С. 200 – 204.
5. Результаты национальных наблюдений за колебаниями уровня грунтовых вод за период 2001 - 2005г. – Ханой : Вьетнамская северная федерация Инженерной геологии и гидрогеологии, 2005. - 119 с. (на вьетнамском языке).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Korolev V.A. Monitoring geologicheskoy sredy [Monitoring of geological environment] / V.A. Korolev. - Moscow: Moscow State University, 1995. - 272 p. [In Russian]
2. Nguyen Dyk Manh, Dashko R.E. Nekotoriye problemy osvoyeniya i ispolzovaniya podzemnogo prostranstva v slozhnikh inzhenerno-geologicheskikh usloviyakh goroda Khanoy [Some problems of development and use of underground space in difficult engineering and geological conditions of the city of Hanoi] // Inzhenernaya geologiya [Engineering geology]. - 2010. - No. 3. - P. 56-61. [In Russian]
3. Fam Kui Nan. Otchet proiskhozhdeniya i rasprostraneniya ammiaka, myshyaka v vodonosnykh gorizontakh ravniny r.Krasnoy [Report on the origin and distribution of ammonia and arsenic in the aquifers of the Krasna river plain] / Fam Kui Nan. - Hanoi: Organizatsiya mezhdunarodnogo korporativa i razvitiya Shvetsii [Organization of an international cooperative and development of Sweden], 2008. - 88s. (In Vietnamese)
4. Phi Hong Thinh Opasniye geologicheskiye protsessy na territorii Khanoya [Dangerous geological processes in the territory of Hanoi] / Phi Hong Thin, Strokova LA // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Tomsk State University]. - 2011. - No. 309. - P. 200 - 204. [In Russian]
5. Rezultaty natsionalnykh nabliudeniy za kolebaniyami urovniya gruntovykh vod za period 2001 - 2005 [Results of national observations of fluctuations in the level of groundwater over the period 2001-2005.] - Hanoi: Vietnamskaya severnaya federatsiya Inzhenernoy geologii i gidrogeologii [Vietnam Northern Federation of Engineering Geology and Hydrogeology], 2005. - 119 p. (In Vietnamese).