В. Л. Невечеря, В. О. Подборская
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ
И СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ПАМЯТНИКОВ БЕЛОЗЕРЬЯ
(на примере Кирилло-Белозерского монастыря)
Инженерная геология и памятники архитектуры. Соединение этих словосочетаний перестало в последние годы вызывать удивление специалистов той и другой области знаний. В 1980-1990-е годы коллективы инженеров-геологов многих организаций, и в первую очередь кафедры инженерной геологии МГГА (МГРИ), совместно с архитектурно-реставрационными подразделениями Министерства культуры Российской Федерации развернули работу по изучению и прогнозированию изменений инженерно-геологических условий в связи с восстановлением, реконструкцией и рациональным использованием памятников истории и архитектуры России. В процессе исследований установлено, что одной из важнейших причин ухудшения состояния, памятников, В ТОМ числе и отреставрированных, является техногенное изменение инженерно-геологической обстановки, приводящее к резкому уменьшению устойчивости грунтов-основания памятников. Поэтому в условиях жесткого техногенного пресса оптимальная эксплуатация памятников невозможна без создания системы управления как режимом функционирования памятников, так и состоянием грунтов основания. В этом случае храмы и монастыри и их грунтовые основания рассматриваются как единые природно-технические системы (ПТС). Особенно нуждаются в системе управления памятники и архитектурные ансамбли, находящиеся на территории, получившей название Русский Север. Эта территория включает Архангельскую, Вологодскую, часть Ленинградской области, в том числе исторические города: Белозерск, Кириллов, Вологду, Великий Устюг, Каргополь, Архангельск и другие.
Памятники архитектуры, сосредоточенные в городах Русского Севера, в том числе в Белозерье, располагаются в зоне тайги. Для нее характерны избыточное увлажнение, заболоченность и довольно суровая зима с глубоким сезонным промерзанием грунтов, особенно на оголенных от снега участках. Территория характеризуется равнинностью, сложной инженерно-геологической структурой толщи четвертичных отложений, большой изменчивостью их литологического состава, широким распространением пылевато-глинистых, иловатых и заторфованных грунтов, весьма интенсивным развитием экзогенных геологических процессов. Неглубокое залегание грунтовых вод, плохое дренирование большей части территории сделали неизбежным переувлажнение строительных конструкций памятников. Этому способствует также наличие мощного культурного слоя, накопившегося на территории большинства памятников Русского Севера. Особую опасность для памятников в таких условиях представляют криогенное пучение при сезонном промерзании грунтов и подтопление (заболачивание) территории.
Как уже отмечалось выше, высокая предзимняя влажность пылевато-глинистых покровных и моренных отложений при сезонном промерзании грунтов приводит к появлению криогенного пучения. Большинство памятников Русского Севера находится в районах с весьма интенсивным проявлением этого процесса (рис. 1.) . Следует отметить, что основания памятников, расположенных даже в долинах крупных рек и около крупных озер, сложены, как правило, покровными и моренными суглинками, реже - озерно-аллювиальными суглинками, супесями и песками. Объясняется это тем, что храмы и храмовые комплексы по традиции строились на возвышенных участках (моренных грядах и холмах, останцах водоразделов и высоких террас), имеющих довольно мощные слои покровных суглинков.
Известно, что интенсивность многих процессов, в первую очередь криогенного пучения и подтопления, при застройке территории возрастает в связи с нарушением природного сложения грунтов, их обводнением и увеличением глубины сезонного промерзания, вызванных перераспределением снежного покрова. Памятники архитектуры, и в первую очередь каменные храмы, весьма чувствительны к воздействию сил морозного пучения, так как стены большинства этих сооружений мало нагружены . Кроме того, фундаменты их, как правило, несплошные, заложены неглубоко и не могут противодействовать касательным, а иногда и нормальным силам пучения, тем более, что близкое залегание грунтовых вод и плохое дренирование вызывают подтопление застроенной территории и переувлажнение кирпичной кладки нижних частей стен.
Опыт, интуиция, мастерство строителей прошлого столетия помогали нейтрализовать неблагоприятные особенности территории путем рационального размещения сооружений. Однако в последующие годы территория Русского Севера, и в частности Белозерья, подвергалась
Рис. 1. Интенсивность криогенного пучения в породах слоя сезонного промерзания-оттаивания.
значительным региональным и локальным техногенным воздействиям, нарушившим естественный ход экзогенных процессов.
В начале XIX века произошли значительные изменения природных условий в связи с гидротехническим строительством. Во-первых, была построена подпорная плотина на реке Сухоне, что привело к поднятию уровня Кубенского озера. Это обусловило частичное подтопление территории архитектурных ансамблей и отдельных памятников, расположенных на берегах озера и в устьях рек, впадающих в него. Во-вторых, была построена Севере-Двинская гидротехническая система, в верхний бьеф которой вошло Сиверское озеро. Его уровень повысился в среднем на 1 метр, изменилась гидрологическая и гидрогеологическая обстановка значительной территории Белозерья, прилегающей к системе. В первую очередь это сказалось на самом крупном на Севере Кирилло-Белозерском монастыре. Подъем уровня воды в озере привел к подтоплению низовой части территорий монастыря, дополнительному заболачиванию, снижению несущей способности грунтов, усилению морозного пучения. Эти негативные процессы особенно усилились после реконструкции системы в 1882-1885 годах, когда уровень воды в озере поднялся еще примерно на 0,8-1,0 метр. В-третьих, в пределах изучаемой территории проходит трасса еще одной крупной гидротехнической системы - Волго-Балта. Особенно интенсивному подтоплению подверглись памятники города Белозерска в связи с реконструкцией Волго-Балта в 1960-е годы и подъемом уровня Белого озера на 0,4 метра.
Помимо регионального воздействия, на памятники постоянно оказывалось локальное техногенное воздействие, которое заключалось в перепланировке территории, нарушавшей поверхностный сток, в постепенном уничтожении старых дренажных систем, в постоянном росте культурного слоя из-за устройства дорог и дорожек, проведения реставрационных работ, в изменении режима функционирования памятников. Нередко церкви и храмы, даже расположенные на вершине холмов, за счет накопления культурного слоя, непродуманной планировки и последующей застройки территории вокруг них оказывались в понижениях, что привело к прекращению стока осадков и возникновению в грунтах основания линз верховодки. Так, на территории Кирилло-Белозерского монастыря наибольшее влияние на развитие негативных инженерно-геологических процессов, наряду с наличием пучиноопасных грунтов, оказывают следующие техногенные факторы: подтопление и заболачивание территории, нарушение поверхностного стока, накопление преимущественно глинистых, с включением органики, грунтов культурного слоя, изменение режима эксплуатации зданий и сооружений в связи с общей заброшенностью памятников или использование их не по назначению. Так, накопление техногенных грунтов культурного слоя и устройство дорожек у стен Успенского собора нарушило систему поверхностного стока, вызвало подтопление фундаментов, намокание-стен и их, деформацию в результате морозного пучения.
Памятники архитектуры Ферапонтова монастыря располагаются довольно высоко над урезом воды в озере на склоне моренной гряды. Основанием их служат переуплотненные моренные суглинки, влажность которых практически не меняется: они не намокают и не фильтруют воду. При нарушении их естественного сложения и разуплотнения при рытье котлованов под фундаменты эти же грунты легко намокают. Большая часть осадков, стекающая с крыш памятников, накапливается в грунтах обратной засыпки. Влажность их возрастает в полтора-два раза, и памятники оказываются в подтопленном состоянии. Возникают нежелательные инженерно-геологические процессы, в первую очередь намокание стен и морозное пучение.
В особенно тяжелом состоянии оказываются памятники, расположенные в кварталах городской застройки. Строительство дорог и подсыпка участков под новое строительство приводят к тому, что памятники оказываются в замкнутых понижениях, где постоянно накапливается вода.
Таким образом, функционирование большинства памятников Белозерья и Русского Севера в целом под влиянием техногенных изменений природной среды далеко от оптимального режима. При этом основными нарушающими факторами являются инженерно-геологические процессы, протекающие в грунтах оснований архитектурных комплексов.
Известно, что любые природно-технические системы создаются изначально как управляемые системы. Под управлением понимается система обеспечения оптимального (субоптимального) функционирования (эксплуатации) ПТС на каждом этапе ее существования с использованием всех имеющихся ресурсов: информационных, вычислительных, технических, технологических и других - при соблюдении множества производственных и природных ограничений. Наша задача - не доказывать, что ПТС, тем более исторической, необходимо управлять (в той или иной мере это делается службой эксплуатации), наша задача - принимать активное участие в решении проблем управления в той области, где оптимальный режим функционирования нарушается за счет процессов, происходящих в грунтах основания.
Так как характеристику функционирования ПТС во времени можно рассматривать как описание процессов и состояний её в пространстве, то для обоснования управления можно использовать теорию оптимального (для линейно-квадратичных задач) или субоптимального (для линейных задач) управления, что в реальном масштабе времени требует использования как имеющейся априорной информации в виде модели управляемого объекта (процесса), так и апостериорной (текущей) информации о состоянии этого объекта (процесса). Изучаемые нами ПТС относятся к адаптивным системам, в которых недостаток априорной информации восполняется за счет более полного использования апостериорной. Дело в том, что проектировщик, а тем более строитель XV-XVII веков, никогда не располагал информацией, достаточной для принятия оптимальных решений во всех ситуациях, которые могли иметь место в процессе эксплуатации. Недостаток априорной информации можно компенсировать двумя путями. Первый, традиционный для большинства сооружений, - увеличение затрат при строительстве на создание такого запаса прочности и устойчивости, который бы обеспечивал оптимальное функционирование ПТС при любых возможных возмущающих воздействиях. В связи с резко возросшей техногенной нагрузкой на литосферу этот путь уже не решает проблему обеспечения оптимального функционирования как давно созданных, с большим запасом устойчивости ПТС, так и вновь создаваемых. Второй и теоретически единственно возможный путь - это создание системы управления, в которой недостаток априорной информации восполняется за счет апостериорной, получаемой в процессе управления.
Система управления состоит из двух подсистем: информационной и собственно управляющей. Обычно управление различными ПТС, в том числе и ансамблями памятников, службами эксплуатации осуществляется только в пределах подсистемы "сооружение". При этом либо считается, что в подсистеме "сфера взаимодействия" (СВ) никаких процессов не происходит, либо, если они проявляются активно, их негативное влияние пытаются ликвидировать в подсистеме "сооружение", так как обычно отсутствует достоверная информация об этих процессах. На самом деле это не так, поэтому мы предлагаем каждую из подсистем управления рассматривать в виде двух, часто очень тесно связанных блоков. Информационная подсистема в этом случае разделяется на следящую за состоянием С В и следящую за деформациями и напряжениями сооружения. Управляющая подсистема также решает поставленную перед ней цель двуедино: обеспечение требуемого режима грунтов СВ и обеспечение необходимого режима эксплуатации сооружения. Цель управления на каждом - выбор вариантов управления, обеспечивающих оптимальное функционирование ПТС.
Информационная подсистема ПТС, особенно таких, устойчивое и безаварийное функционирование которых в значительной мере, а нередко и полностью, определяется устойчивостью грунтов СВ , должна быть выполнена в виде системы мониторинга. Мониторинг обеспечивает не только слежение за состоянием ПТС, но и позволяет выполнять с заданной периодичностью прогноз изменения состояния СВ.
Пространственно-временной объем режимных сетей мониторинга при его создании задается целью управления, моделью ПТС, а также природными, в том числе инженерно-геологическими условиями, определяющими устойчивость ПТС и обуславливающими основные возмущающие воздействия, управление режимом которых обеспечивает требуемое состояние грунтов СВ. Следовательно, параметры мониторинга должны определяться для каждой локальной ПТС. Количество режимных сетей зависит от принятой системы управления и состояния ПТС. Чем ближе состояние ПТС к границам эксплуатационной области, а тем более к границе предельных режимов, тем более жесткие требования предъявляются к мониторингу. В этом случае сеть режимных наблюдений надо создавать в наибольшем объеме. Для проведения наблюдений лучше привлекать специализированную организацию с тем, чтобы она могла прогнозировать момент выхода контролируемой величины за пределы эксплуатационной области, дабы предотвратить аварийную ситуацию. Если окажется, что выход управляемых воздействий за допустимые пределы практически исключен, то объем режимных сетей будет минимален. Пространственно-временной объем однажды созданного мониторинга не остается постоянным. В процессе функционирования он меняется, при этом изменения направлены в сторону его оптимизации, то есть только для обеспечения режимных наблюдений в объеме, необходимом и достаточном для решения задач управления. Отметим также, что для оптимизации пространственно-временного объема мониторинга наших систем, оцениваемые координаты которых изменяются медленно, можно использовать с успехом метод циклического оценивания. Согласно ему процесс наблюдения разбивается на годичные циклы. В начале каждого цикла модель "запускается", а в конце его выдается оценка вектора состояния. Смысл применения такой методики - в возможности использования в течение цикла упрощенной модели ПТС, позволяющей избавиться от неприятностей, связанных с накоплением ошибок и числовых расхождений5.
Разработанные нами принципы и методы организации системы управления режимом функционирования памятников архитектуры Белозерья были реализованы в процессе создания (начиная с 1988 г.) системы управления природно-технической системой "Памятники Кирилло-Белозерского монастыря".
Архитектурный ансамбль Кирилло-Белозерского монастыря создавался на протяжении пяти веков. Он включает памятники, различные по конструкции, времени сооружения, назначению, режиму эксплуатации. Храмы и большая часть хозяйственных построек возведены на вершинах и склонах Ивановского и Успенского холмов. Монастырь обнесен крепостной стеной общей протяженностью около двух километров. В целом инженерно-геологическое строение территории типично для Белозерья и характеризуется сложным сочетанием разнотипных четвертичных отложений, неоднородностью их литологического состава, широким распространением слабых в инженерном отношении грунтов, наличием мощной толщи техногенных отложений. Для строительства благоприятны только участки Ивановского и Успенского холмов, и эту возможность полностью использовали строители в прошлом.
На устойчивости монастырских сооружений сказалось незакономерное распространение слабых грунтов в основании фундаментов (крепостные стены XVI века, церковь Преображения), что обусловило их неравномерную осадку. Распространение пучиноопасных грунтов в основании комплекса Успенского собора и крепостных стен Нового города наряду с переувлажнением территории вызвало развитие криогенного процесса. Близкое залегание грунтовых вод и слабое. дренирование части территории активизировали процесс заболачивания и привели к переувлажению строительных конструкций памятников.
В течение длительного времени существования монастыря зафиксированы значительные техногенные воздействия как регионального, так и локального уровня. Особенно интенсивное воздействие отмечается на грунты оснований. В настоящее время все сооружения ансамбля в той или иной степени деформированы. Выявлены деформации структурного (трещины и разрывы конструкций сооружений) и влажностного (разрушение кладки стен, переувлажнение конструкций) характера. Однако относительно неплохая сохранность многих памятников объясняется тем, что постоянно выполнялся комплекс управляющих мероприятий, включавший в себя как конструктивные воздействия - усиление отдельных элементов конструкций, так и предохранительные - создание оптимальных условий их функционирования.
Культовые сооружения по режиму эксплуатации делятся на холодные (неотапливаемые) и теплые (отапливаемые) храмы. Изменение запроектированного режима эксплуатации обычно резко ухудшает физическое состояние материала конструкций и микроклимат сооружений, что способствует снижению несущей способности грунтов основания. Температурный и влажностный режим храмов складывался веками и поддерживался с неукоснительной строгостью. В первые столетия их существования преобладали предохранительные мероприятия: контроль за режимом эксплуатации помещений, отвод поверхностных вод и гидроизоляция стен. После подтопления территории монастыря в XIX веке начали прибегать к конструктивным мероприятиям. В последние годы объем их резко возрос, поскольку техногенные воздействия, а также изменение режима эксплуатации привели систему в неустойчивое состояние, что повлекло за собой широкое развитие деформации сооружений.
Потребовалось резко увеличить объем реставрационных, реставрационно-ремонтных и аварийно-восстановительных работ. За последние 35 лет их общая стоимость возрастала из года в год и составила 4,1 миллиона рублей (в ценах 1990 г.). Из этой суммы только около 3 процентов тратилось на повышение устойчивости грунтов основания, остальное шло на конструктивные мероприятия. К сожалению, продолжающаяся деформация уже отреставрированных памятников поставила под сомнение возможность решить проблему их сохранности одними конструктивными методами. Задача может быть решена путем целенаправленного управления как памятником, так и состоянием грунтов сферы взаимодействия. Система управления должна обеспечить бесперебойную (в заданных пределах) эксплуатацию всех сооружений музейного комплекса. Она состоит из двух подсистем: информационной и собственно управляющей. Информационная подсистема осуществляет контроль за состоянием природных условий, в нашем случае за грунтами основания, и деформациями памятников, обусловленными инженерно-геологическими процессами. Подсистема управления обеспечивает требуемый режим грунтового основания и необходимый режим эксплуатации памятников, в первую очередь термовлажностный.
Цель управления ПТС "Памятники Кирилло-Белозерского монастыря" - минимизация потерь устойчивости при оптимальном режиме эксплуатации памятников. Эта цель достигается за счет управления состоянием грунтов основания или режимом эксплуатации памятника.
Для монастыря, как и для многих ПТС других типов, исторически сложилось так, что блок слежения и управления подсистемой "памятники" довольно хорошо разработан и в той или иной мере используется. Обеспечено соблюдение режима функционирования - теплый или холодный. Ведется слежение за термовлажностным режимом воздуха в помещениях, выполняются работы по его соблюдению. Широко проводятся ремонтно-реставрационные работы, позволяющие повысить прочность и устойчивость памятников, обеспечить необходимый режим их функционирования и так далее. Что же касается СВ, то здесь объем работ по слежению за состоянием грунтов практически равен нулю, а управляющие взаимодействия выполняются часто без учета процессов, происходящих в СВ. Так, замена валунных фундаментов на . бетонные без устройства гидроизоляции на их поверхности, как правило, приводит к подсосу влаги в стены, хотя ранее этого не было. Поэтому основной целью наших многолетних работ было создание блока управления состоянием грунтов СВ, и в первую очередь его информационной подсистемы.
Как уже отмечалось выше, пространственно-временной объем режимных сетей мониторинга определяется целью управления, режимом эксплуатации памятников и природными факторами, определяющими инженерно-геологические процессы, которые оказывают наибольшее влияние на устойчивость памятников. Эти факторы являются по существу управляющими (возмущающими) величинами, изменяя режим которых можно обеспечить требуемое состояние грунтов основания.
Для того, чтобы выявить основные управляющие величины, необходимо прежде всего определить инженерно-геологические процессы, оказывающие наибольшее влияние на устойчивость памятников. Основания фундаментов и интерьеры памятников особенно чувствительны к влажностному режиму. А поскольку на территории монастыря распространены пучинистые грунты и имеются условия для интенсивного развития криогенного процесса, оказывается достаточно высокой степень влияния этого процесса на устойчивость сооружений.
Неоднородность геолого-геоморфологического строения обусловила разную степень влияния гидрогеологических условий на сооружения. Памятники, расположенные на возвышенных участках Успенского и Ивановского холмов (глубина залегания основного водоносного горизонта больше 3 метров от поверхности), испытывают неблагоприятное действие верховодки, формирующейся в техногенном слое, а также водоносного горизонта, образующегося в валунных фундаментах сооружений. Верховодка имеет спорадическое распространение, ее формирование непосредственно связано с качеством планировки, затененностью поверхности и затрудненностью поверхностного стока.
Сооружения на берегу Сиверского озера испытывают прямое воздействие подземных вод, глубина залегания которых в этом районе колеблется от 0,5 до 1,0 метра. Подземные воды оказывают неблагоприятное влияние не только на влажностный режим кладки памятников, но и на их устойчивость. Режим подземных вод тесно связан с режимом Сиверского озера, который в свою очередь определяется особенностями эксплуатации Северо-Двинской системы. За год колебания уровня воды в системе составляют в среднем 1,2-1,5 метра, максимальная его величина отмечалась в 1985 году - 1,8 метра. На сезонные колебания накладываются технические, обусловленные поддержанием определенного уровня воды в системе во время ее эксплуатации. При создании монастырского ансамбля строители принимали во внимание гидрогеологический режим территории, существовавший в период строительства. Колебания уровня грунтовых вод, вызывавшиеся половодьем и осенними паводками, не превышали 1 метра (как и для всех озер региона). В соответствии с этим и строились прибрежные сооружения. Изменение гидрогеологических и гидрологических условий территории после сооружения Северо-Двинской гидротехнической системы нарушило установившееся равновесие в системе "памятники - грунты основания". Почти все сооружения, расположенные в прибрежной полосе, находятся сейчас в аварийном состоянии. Это заставляет искать пути управления гидрологическим режимом. Если бы удалось снизить уровень Сиверского озера до природного, то радикально бы улучшился гидрологический режим территории. Однако эта мера недостаточна для режима функционирования архитектурного ансамбля и отдельных сооружений. Дело в том, что на устойчивость грунтов оснований помимо воздействия квазипериодического режима грунтовых вод оказывают влияние такие процессы, как криогенное пучение, изменение характера взаимодействия техногенного грунта с фундаментами, колебания поверхностного и подземного стоков, степени и интенсивности инфильтрации осадков в грунты основания.
Кирилло-Белозерский монастырь расположен в зоне глубокого сезонного промерзания грунтов. На оголенных от снега площадках глубина промерзания достигает 2 метров, в естественных условиях она зависит от суровости зимы и толщины снежного покрова. Так, весьма холодная зима 1987/88 года характеризовалась незначительной мощностью снежного покрова (25-30 сантиметров в середине декабря), поэтому глубина промерзания превысила 150 сантиметров. В зиму 1988/89 года среднесуточные температуры конца октября - начала декабря были близки к средним многолетним значениям, грунты промерзли на глубину 10-15 сантиметров, затем при резком повышении среднесуточных температур воздуха установился снежный покров высотой до 80 сантиметров, и произошло оттаивание промерзшего слоя грунта. Контрольные замеры, выполненные в начале февраля 1989 года, показали, что на участках с ненарушенным снежным покровом сезонное промерзание грунтов отсутствует. В зимний период 1993/94 года промерзание на оголенных участках составило 180 сантиметров.
Особые условия для промерзания грунтов основания возникают в неотапливаемых памятниках, в башнях и крепостных стенах XVI- XVII веков. Снежный покров здесь не образуется, но устанавливается отрицательная температура воздуха, что приводит ежегодно к глубокому промерзанию грунтов основания под полами, так как памятники сооружены без подвалов. При обследовании стен и башен Нового города были отмечены явления отрыва крепостных стен от фундаментов с образованием глубоких (40-50 сантиметров) ниш, отхода валунов в сторону от стен. Кроме того, на всем протяжении прясел стен наблюдаются продольные деформации гульбища - трещины с раскрытием 5-10 сантиметров, порванные металлические связи, соединявшие внешнюю и внутреннюю части стен. Глубина заложения фундаментов этих сооружений во многих случаях меньше глубины сезонного промерзания. Все это позволило предположить, что причиной деформации является процесс криогенного пучения, идущий при сезонном промерзании пучинистых грунтов. Как уже отмечалось выше, гидрогеологические условия для перемещения влаги при промерзании, а следовательно, для пучения грунтов, весьма благоприятны. Температурные условия промерзания также способствуют развитию криогенного пучения, поскольку снежный покров устанавливается с переходом среднесуточных температур через ноль, и грунт промерзает медленно. Таким образом, практически на всей территории монастыря наблюдается весьма интенсивное проявление криогенного пучения в грунтах слоя сезонного промерзания6.
Более подробно рассмотрим возможное воздействие криогенного пучения на стены Успенского собора и возведенных вплотную к нему церквей. В первые десятилетия, а возможно, и в первые столетия существования монастыря, когда не накопилось еще техногенных отложений, условий для пучения грунтов, вероятно, не было. Сток был хорошим, покровные суглинки маловлажными, так как они залегают на песках, тем более, что этот тип грунтов при естественном сложении практически не впитывает воды. Когда же постепенно накопился слой техногенных глинистых грунтов с прослойками и линзами органики, он перекрыл сбоку валунный фундамент, в который стала попадать вода с крыш. Весной, а главное осенью, в валунном фундаменте возникает техногенный ленточный водоносный горизонт, воды которого подпитывают, увлажняют отложения снаружи и грунты внутри собора, вызывая при промерзании их пучение. Летом 1988 года уровень воды в этом горизонте после дождей установился на глубине 0,52 метра от верха отмостки. Отмечалась фильтрация воды из этого горизонта по прослойкам органики в толщу суглинков. При промерзании этого горизонта в нем может возникать напор. Напорные воды могут внедряться в грунты внутри памятника и вызывать вспучивание полов, что неоднократно наблюдалось в других холодных сооружениях. Вообще влияние криогенного пучения на устойчивость памятников архитектуры Русского Севера настолько разнообразно и существенно, что требует особого рассмотрения, а в Кирилло-Белозерском монастыре мы выделили его как одну из основных управляющих величин, которая определяет устойчивость памятников.
Известно, что обоснование управляющих величин, изменение которых допускается в заданных пределах, может быть получено в результате обработки информации инженерно-геологических изысканий, выполняемых на стадиях проектирования и эксплуатации7. В отличие от обычных ПТС для исторических подобные материалы отсутствуют, Как отсутствуют и материалы режимных наблюдений за состоянием и изменением геологической среды в пределах сферы взаимодействия и вне ее. Поэтому создание системы мониторинга мы начали с инженерно-геологической съемки. Однако разовые, даже детальные, инженерно-геологические исследования в сфере взаимодействия сооружений и грунтов не позволяют выявить динамику управляющих величин, оценить характер их взаимодействия с основаниями и фундаментами. Чтобы определить, каким образом влияют выделенные нами возможные управляющие величины (грунтовые воды, влажность грунтов перед промерзанием, сезонное промерзание, состав грунтов слоя сезонного промерзания) на устойчивость памятников, была организована превентивная система режимных наблюдений, состоящая из сетей гидрологических скважин, маяков и марок для наблюдений за деформациями фундаментов памятников (рис. 2). Поскольку колебания уровня грунтовых вод и криогенное пучение проявляются как квазипериодический процесс, то основное внимание при размещении марок было уделено участкам, в пределах которых ранее установленными маяками были выявлены в памятниках "живые трещины".
При организации наблюдений за деформациями сооружений и поведением поверхности пучащегося грунта основную трудность представляет выбор репера, который бы не подвергался подвижкам за счет выпучивания и изменения режима грунтовых вод. В качестве реперов были использованы реперный знак на Казанской башне и верх обсадной трубы гидрогеологической скважины, заглубленной в грунт на 6 метров. Путем повторной нивелировки зимой и весной установлено, что выбранные марки неподвижны. После создания превентивной сети в 1987/88 году были выполнены четыре цикла нивелировок, проводились регулярные наблюдения за уровнем грунтовых вод в гидрогеологических скважинах на территории Успенского холма. Совместный анализ материалов режимных наблюдений за деформациями и уровнем грунтовых вод, данных о среднесуточных температурах воздуха с учетом возможной глубины промерзания грунтов около памятников и внутри холодных помещений позволили выявить динамику изменения управляющих величин в течение года и оценить степень их влияния на устойчивость памятников.
На здании Успенского собора и пристроенных к нему храмах установлено 24 марки. Было обнаружено, что восточная, северная и южная стены Успенского собора, а также восточная стена церкви Кирилла подвергались выпучиванию, максимальная величина которого составляет 24 миллиметра (рис. 3). По данным летне-осенних замеров часть марок возвратилась в исходное положение, что свидетельствует о сезонной пульсации стен. Стена или участок стены
Рис. 2. Схема режимной сети Успенского собора.
Рис. 3. Вертикальные подвижки стен Успенского собора
с августа 1988 г. по апрель 1993 г.
Положение марок:
1 - 22.04.89: 2 - 27.03.90: 3-1804 91
4 - 4.04.93: 5 - 24.04.94.
Марки № 9-12 установлены на стенах и. Епифания,
№ 13 - на восточной стене ц. Владимира,
№ 14-16 - на восточной стене Успенского собора.
За исходное принято положение марок 1.08.88 г.
поднимается вместе со смерзшимся с ней грунтом за счет касательных сил пучения. При оттаивании грунт оседает, и вместе с ним в исходное положение возвращается стена, поскольку она не связана жестко с фундаментом. Между Казанской и Вологодской башнями Нового города были установлены марки на крепостной стене и на валунах. Выявлено, что стена не подвергается пучению. В то же время зафиксировано значительное (50-70 миллиметров) выпучивание, а затем последующая осадка валунов, залегающих в основании стен.
Анализ данных регулярных наблюдений за уровнем подземных вод показал, что на территории Успенского холма он определяется изменением уровня воды в Сиверском озере, которое в свою очередь полностью регулируется потребностями Северо-Двинской системы. Лишь в отдельных случаях зарегистрированы вторичные колебания уровня, обусловленные инфильтрацией вод атмосферных осадков. Что касается верховодки, то ее возникновение и уровневый режим обусловлены инфильтрацией вод осадков в техногенные отложения в связи с неорганизованным стоком.
Таким образом, превентивная сеть режимных наблюдений позволила выявить динамику основных управляющих величин в течение года, оценить степень влияния криогенного пучения на устойчивость фундаментов памятников, определить принцип размещения марок наблюдательной сети. На основании этих данных в 1988/89 году на территории монастыря была создана информационная подсистема системы управления состоянием ПТС "Памятники Кирилло-Белозерского монастыря", выполненная в виде мониторинга. Режимная подсистема мониторинга включает (рис. 4) сеть гидрогеологических скважин для наблюдения за режимом подземных вод и водопосты для наблюдений за уровнем воды в Сиверском озере и речке Свияге; сеть одиночных пучиномерных марок, пучиномерных полигонов, мерзлотомеров и снегомерных реек для наблюдения за снежным покровом, глубиной сезонного промерзания и пучением грунтов как на территории монастыря, так и у стен памятников и внутри неотапливаемых сооружений; сеть марок на стенах для слежения за деформациями памятников, причем нивелирование марок осуществляется по глубинным реперам, не подвергающимся выпучиванию и подвижкам при изменении уровня грунтовых вод.
Режимные наблюдения начаты осенью 1988 года и продолжаются до настоящего времени. Установлено, что управляющие величины меняются квазипериодически, пределы этих изменений определяются погодными условиями. Нетипичные для этих мест теплые погодные условия последних лет не позволили оконтурить область изменения значений управляющих величин, выход из которой недопустим по условиям устойчивости ПТС. В ходе наблюдений стало ясно, что перечисленные выше сети должны быть дополнены сетью
Рис. 4. Схема размещения режимной сети на территории Кирилло-Белозерского монастыря
Сооружения: А - Комплекс Успенского собора. Б, В, Г - Казанская, Вологодская, Кузнечная башни XVII в
1 - пучиномерные площадки 1, 2; 2 - мерэлотомеры; 3 - стенные марки; 4 - глубинные репера; 5 - гидрорежимные скважины: 6 - гидрологические водопосты; 7 - профиль через крепостную стену.
постоянных наблюдений за состоянием внутренних конструкций и термовлажностным режимом памятников. Проведение подобных наблюдений не входит в задачи инженеров-геологов, но только проанализировав состояние памятника и геологической среды, можно оценить их истинное положение и принять правильные управляющие решения.
С 1989 года начались работы по организации параллельных наблюдений за памятниками и внутри памятников. К 1994 году наблюдения проводятся во всех типах памятников: мерзлотомеры, марки, а также специальные установки для слежения за горизонтальным смещением стен были установлены в Успенском соборе, в подклете церкви Преображения, в Больших больничных палатах, в башнях и нишах крепостной стены. Кроме того, режимные сети меняются со временем в связи с проведением управляющих мероприятий, изменением требований к данным наблюдений. Так, около Успенского собора были созданы две наблюдательные скважины для измерения уровня верховодки. Было увеличено число марок-пучиномеров и стенных марок. В то же время были частично прекращены наблюдения за состоянием крепостных стен, так как подвижки не наблюдались.
Информация, полученная в результате обработки данных наблюдений по режимным сетям мониторинга, позволяет прогнозировать режим функционирования памятников на следующий сезон, а также дает возможность разработать ряд управляющих решений. Так, нами был разработан проект осушения грунтов С В Успенского собора. Первая его очередь, состоящая из двух вертикальных сквозных дренажей и одного горизонтально-вертикального, уже осуществлена. Режим влажности грунтов резко улучшился, что сказалось на термовлажностном и деформационном режиме собора.
Таким образом, исследования, осуществленные в Кирилло-Белозерском монастыре, позволяют сделать следующие выводы. Исторические сооружения нуждаются в системе управления устойчивостью как памятников, так и грунтовых оснований. Особенно это касается архитектурных ансамблей, находящихся на Русском Севере и особенно в Белозерье, где историческое и современное техногенное воздействие значительно изменили условия функционирования памятников. При составлении проектов реставрации и консервации памятников необходимо проводить детальные инженерно-геологические исследования территории, превентивные режимные наблюдения, без которых нельзя выбрать систему управления грунтами основания. Информационное обеспечение системы управления нужно создавать по типу мониторинга, позволяющего не только следить за динамикой процессов, но и представлять данные для прогноза их развития.
В заключение отметим, что в статье затронута лишь часть инженерно-геологических проблем, связанных с длительным существованием сооружений, историческими и современными техногенными взаимодействиями, а также с развитием инженерно-геологических процессов на территориях архитектурных и садово-парковых ансамблей, которые желательно обсудить совместно реставраторам и инженерам - геологам.
ПРИМЕЧАНИЯ
1. Невечеря В. Л., П а ш к и н Е. М., Подборская В. О. Исследование влияния криогенного пучения на устойчивость памятников архитектуры Русского Севера // Инженерная геология. 1991. № 6. С. 134-144.
2 Там же.
3 Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука, 1987.
4 См.: Бондарик Г. К. Управление природно-техническими системами. Возможности и ограничения // Геология и разведка. 1994. № 1. С. 42-47;
Невечеря В. Л., Подборская В. О. Принципы организации лито-мониторинга ансамблей памятников архитектуры Русского Севера (на примере Кирилло-Белозерского монастыря) // Инженерная геология. 1991. № 4. С. 123-132; Невечеря В. Л. Принципы организации и функционирования режимной сети инженерно-геологического блока литомониторинга эксплуатируемых месторождений природного газа в криолитозоне / Мониторинг экзогенных геологических процессов: Тезисы докладов научно-технического семинара. М.:
ВСЕГИНГЕО. Препринт, 1986. С. 91-93.
5 Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука, 1987.
6Heвeчepя В. Л., П а ш к и н Е. М., Подборская В. О. Указ. соч. С. 134-144.
7Heвeчepя В. Л. Принципы организации и функционирования режимной сети... С. 91-93.