Невечеря В.Л. Подборская В.О.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСТОРИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МОНАСТЫРЯ

С точки зрения инженерной геологии и геоэкологии ансамбль Кирилло-Белозерского монастыря рассматривается как историческая природно-техническая система (ПТС), которая существует уже 600 лет 1. Функционирование ПТС связано с изменением природных условий, а также территории монастыря в результате ее строительно-хозяйственного освоения, которое подразделяется на несколько этапов.

1 этап. Первоначальное освоение территории (1397-1497 гг. - от основания монастыря до возведения первого каменного храма). Характеризуется строительством легких деревянных сооружений, начальным изменением природных условий, в основном - приспособлением человека к природной среде.

2 этап. Создание и активное развитие ПТС Кирилле-Белозерского монастыря (1497 г. - начало XVIII в.). Характеризуется активной строительной деятельностью и целенаправленным изменением природных условий хозяйственной деятельностью внутри территории монастыря и за ее пределами.

3 этап. Квазистационарное развитие (старение) ПТС (начало XVIII в.-1923 г.). Характеризуется свертыванием хозяйственной и строительной деятельности, нецелевым использованием и забрасыванием памятников и территории в целом при весьма активном воздействии на ПТС техногенных процессов регионального и локального уровней.

4 этап. Музеефикация монастыря (1923 г.-настоящее время). Характеризуется восстановлением режима функционирования многих памятников и проведением реставрационных работ при усиливающемся техногенном воздействии регионального и локального уровней.

Значительное техногенное воздействие на III и IV этапах привело к интенсивному развитию инженерно-геологических и гео экологических процессов, которые оказывают губительное влияние на состояние памятников и ПТС в целом.

Как установлено нашими многолетними исследованиями2, территория монастыря изначально характеризовалась сложными инженерно-геологическими условиями. В их числе значительный перепад высот (до 8 метров); сложное строение толщи четвертичных отложений до глубины 15- 20 метров, большая изменчивость литологического состава, широкое незакономерное распространение слабых иловатых и заторфованных грунтов, неглубокое залегание уровня грунтовых вод, глубокое сезонное промерзание грунтов, развитие неблагоприятных экзогенных геологических процессов. Вся территория монастыря, за исключением инженерно-геологического участка 1-А (рис. 1), по нормам, применяемым в современном строительстве, относится к категории сложной и неблагоприятной, требующей детального изучения и специальной предварительной подготовки площадок под строительство3.

Эти особенности территории, а также техногенное воздействие на природную среду обусловили развитие комплекса экзогенных геологических и геоэкологических процессов в сфере взаимодействия памятников и грунтов основания. На первом этапе существования ПТС преобладали экзогенные геологические процессы, имевшие развитие на этой территории до ее освоения, в первую очередь - заболачивание и абразия4 берега Сивер-ского озера. На втором этапе функционирования ПТС в сферу хозяйственного освоения включаются окружающая монастырь территория и речка Свияга, которая служила оборонным и хозяйственным целям (до сих пор нет единого мнения по поводу естественности русла протоки, соединяющей Сиверское и Долгое озера). На ней был выстроен ряд малых гидротехнических сооружений, что значительно изменило гидрологический и гидрогеологический режим территории. Сооружение оборонительных рвов вокруг крепости, наличие копаного пруда у Больших Больничных палат также меняло влажностный режим территории. Строительство храмов и монастырских зданий требовало подготовки строительных площадок - в ряде случаев забивали деревянные сваи, устраивали лежни, подсыпали грунт, а после окончания работ планировали территорию. Эти строительные техногенные воздействия на природную среду изменили природный гидрологический и геостатический режим и привели к подтоплению части территории, неравномерным просадкам сооружений, морозному пучению грунтов. Однако, поскольку техногенные воздействия были целенаправленными и проходили в значительной степени под контролем строителей и обитателей монастыря, принимавших меры безопасности, степень развития неблагоприятных явлений не вышла за границы допустимого.

III этап развития совпал со временем сильного внешнего техногенного воздействия регионального характера. Строительство и эксплуатация Се-веро-Двинской гидротехнической системы, в верхний бьеф которой включено Сиверское озеро, повлекли за собой значительное новое несбалансированное изменение гидрологических и гидрогеологических условий территории монастыря. На воздействие регионального характера наложились техногенные воздействия локального уровня: постоянное повышение дневной поверхности территории в результате роста слоя техногенных отложений, отсутствие планировки, обеспечивающей поверхностный

Рис.. 1. Схематическая карта инженерно-геологического районирования территории Кирилло-Белозерского монастыря.

сток, изменение теплового режима эксплуатации сооружений. Все это в совокупности на фоне повышения уровня Сиверского озера привело к резкой активизации опасных инженерно-геологических процессов - под-топлению значительной части территории, криогенному пучению грунтов, выпучиванию фундаментов памятников, переувлажнению и разрушению строительных конструкций, дополнительному заболачиванию территории.

К сожалению, реставрационные работы, особенно широко развернувшиеся в последние 10-15 лет, не сопровождались мероприятиями по уменьшению или полной ликвидации негативных процессов в грунтах сферы взаимодействия памятников. Поэтому многие отреставрированные памятники продолжали деформироваться, и режим их функционирования был и остается далеким от оптимального.

Основными "возмущающими" процессами, определяющими режим функционирования памятников монастыря, являются: колебания уровня и изменение режима грунтовых вод и верховодки; динамика выпадения осадков и характер распределения по территории снежного покрова; сезонное промерзание и криогенное пучение грунтов.

В связи с этим в 1989-1991 годах нами была разработана и внедрена система управления режимом функционирования памятников монастыря и состоянием грунтов их основания, рассматриваемых как единая природно-техническая система5.

Рассмотрим более подробно успешный опыт отслеживания "возмущающих" процессов с помощью системы, управляющей комплексом памятников Успенского собора.

Собор, сооруженный в 1497 году, и пристроенные к нему позже церкви Владимира, Епифания и Кирилла располагаются в центре монастыря на Успенском холме. Все храмы, за исключением церкви Кирилла, по режиму эксплуатации неотапливаемые (холодные) (табл. 1). Успенский собор - четырехстолпный крестово-купольный храм - имеет валунный фундамент без известкового заполнителя глубиной заложения 1,2-1,5 метра, мощностью 0,9-1,2 метра. Основание фундамента в ряде случаев усилено деревянными сваями.

Успенский собор располагается в верхней части холма, высота которого над уровнем Сиверского озера составляет 5-6 метров. Поверхность холма имеет слабый северо-восточный уклон и довольно круто обрывается к юго-западу за церковью Гавриила. Успенский холм имеет сложное, неоднородное строение (рис. 2). Юго-западная его часть по строению - типично водно-ледниковый холм, в котором под покровными суглинками мощностью 1,5-2,0 метра залегают флювиогляциальные пески до глубины 6-7 метров, подстилаемые мощным слоем моренных суглинков. В северо-восточной стороне холма под техногенными отложениями залегает толща озерно-ледниковых отложений, представленных озерными суглинками мощностью до 5 метров. Граница между разными Антологическими комплексами проходит с юго-запада на северо-восток примерно по центральной части Успенского собора. С поверхности до глубины

Таблица 1
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ПАМЯТНИКОВ
КИРИЛЛО-БЕЛОЗЕРСКОГО МОНАСТЫРЯ

1,2-1,7 метра Успенский холм покрывают техногенные отложения культурного слоя, представленные переработанными, перемещенными, недоуп-лотненными суглинками, супесями с большим количеством органики, древесины, строительного мусора. Во время возведения собор располагался практически на вершине холма с хорошими естественными уклонами поверхности от храма. В настоящее время в результате многовековых изменений территории (устройство кладбища, подсыпка грунта, устройство дорожек) соборный комплекс оказался в небольшом понижении, поверхностный сток от собора прекратился, и воды всех осадков, выпадающих на крыши собора и примыкающих храмов, оказываются в основании сооружений. Расчеты показывают, что в средний по осадкам год в основание храма попадает 500-600 кубометров воды. Большая часть этой воды просачивается в валунные фундаменты, полностью закрытые снаружи накопившимися техногенными грунтами, которые служат своеобразными коллекторами6. Так, в наблюдательном колодце, оборудованном вплотную к фундаменту восточной стены собора в 1988 году, уровень верховодки находился в течение лета на глубине 0,5-0,7 метра от поверхности. К осени отмечалось повышение уровня за счет сезонных осадков. В наиболее дождливую осень уровень верховодки поднимался практически до дневной поверхности. Поэтому грунты обратной засыпки, примыкающие к фундаменту,

Рис. 2. Инженерно-геологический, разрез через Успенский холм по линии юг-север. Масштабы: вертикальный ]:100. горизонтальный 1:1000.
А - церковь Гавриила, Б - Успенский собор.
Геологическое строение: 1 - техногенные грунты культурного слоя; 2 - покровные суглинки; 3 - флювиогляииальные пески; 4 - озерно-болотные отложения; 5 - моренные суглинки; 6 - оэерно-ледниковые суглинки; 7 - уровень грунтовых вод.

повсеместно переувлажнены, что способствует интенсивному проявлению пучения при сезонном промерзании, переувлажнению кирпичной кладки стен. С 1988 года за состоянием ПТС собора проводятся наблюдения сначала по превентивной, а затем по постоянной сети мониторинга. Наблюдения за положением стенных марок собора показали, что наиболее интенсивно подвергаются выпучиванию северная и восточная стены храма. Максимальная величина вертикального перемещения (выпучивания) стены составила 24 миллиметра (зимний сезон 1993-1994 гг.), минимальная - 1-2 миллиметра. При оттаивании грунта весной большая часть марок возвращается в исходное положение. Величина остаточного выпучивания за один цикл наблюдений не превышает 2-4-х миллиметров, что соответствует точности замеров. Однако прослеживается устойчивая тенденция очень незначительного поднятия отдельных участков стен за период наблюдений. Сезонная пульсация стен приводит к тому, что трещины, разделяющие участки стены с различной величиной смещения, то раскрываются, то закрываются. Это уменьшает прочность стен, нарушает термовлажностный режим кладки у этих трещин, приводит к разрушению и отслаиванию фресок. Кроме того, незначительное за цикл остаточное выпучивание привело к тому, что отдельные участки стены за период наблюдения поднялись на 8-12 миллиметров. Это обуславливает и перекос стен, и возникновение дополнительных напряжений в конструкциях храмов.

Зафиксировано раздвижение стен и в горизонтальной плоскости, обусловленное боковым пучением линзы мерзлого грунта внутри храма. Там грунт промерзает на глубину 60-105 сантиметров, тогда как грунт обратной засыпки с внешней стороны восточной стены храма в зависимости от мощности снежного покрова промерзает всего на 0-40 сантиметров.

Основные управляющие мероприятия по улучшению режима функционирования ПТС были выполнены в подсистеме "сфера взаимодействия". В 1993-1994 годах для ликвидации техногенного водоносного горизонта в валунном фундаменте и понижения уровня верховодки были устроены два вертикальных сквозных дренажа, фильтрующих воду в водоносный горизонт, залегающий на глубине 4,5 метра. Дренаж хорошо отводит воду из валунного фундамента, что привело к резкому уменьшению подсоса в стены, ликвидации зимой изморози под полом и понижению влажности деревянных конструкций иконостаса и воздуха в соборе. Однако суглинки обратной засыпки, содержащие органику, воду практически не отдают, поэтому продолжается их пучение и выпучивание стен. Для устранения этих процессов требуется замена грунтов и устройство горизонтального дренажа вдоль фундамента с восточной и северной сторон комплекса.

Горизонтально-вертикальный дренаж был устроен от юго-западного угла паперти вдоль притвора к гидрологической скважине. Это привело к осушению стен паперти, ликвидации изморози в ней и прекращению пучения стены и крыльца паперти и выпучивания валунов из-под стены притвора. Аналогичные мерзлотные деформации характерны и для других холодных памятников: церкви Преображения и Большой Больничной палаты с церковью Евфимия.

В связи с глубоким, неравномерным по сечению крепостной стены промерзанием грунтов основания процессы пучения вызывают раздвижение крепостной стены, построенной в виде арок. Стена оказалась разбита продольными трещинами на две части, трещины постоянно увеличиваются. Процессы пучения приводят к выталкиванию валунов из-под стены: величина горизонтального смещения валунов на отдельных участках с 1990 года составила 40-90 миллиметров. Смещение валунов приводит к тому, что стена зависает, а при большой протяженности пролета вес стены превышает прочность кирпичной кладки. Возникает трещина, и отколовшаяся часть стены оседает на 10-15 сантиметров ниже первоначального положения, так как верхний слой валунов фундамента находится сейчас рядом со стеной, а не под ней.

Из управляющих мероприятий, выполненных в последнее время для других памятников, следует отметить:

- расчистку и восстановление рвов вокруг стен, что привело к понижению уровня грунтовых вод и ликвидации сезонной пульсации кирпичного пола в Вологодской башне;

- замену пучинистого грунта на непучинистый в подклете церкви Преображения, в нишах стен Нового города, что резко уменьшило как величину пучения, так и раздвижение стен;

- уборку техногенного пучинистого грунта культурного слоя у стен памятников, что привело к ликвидации процесса разрушения кладки за счет растрескивания под действием касательных сил пучения и за счет намокания в связи с подсосом влаги из слоя техногенного грунта.

Процесс слежения за режимом функционирования ПТС "Кирилло-Белозерский монастырь" продолжается, при этом наблюдения выполняются и после проведения управляющих мероприятий, так как их результат не всегда однозначен. Так, снятие слоя техногенного грунта при восстановлении рва у прясла стены между Казанской и Московской башнями привело к тому, что начали интенсивно выпучиваться сваи шпунтовой стенки, устроенной при создании Московской башни. Вовремя зафиксированное явление было ликвидировано. Если бы слежения не было, то процесс криогенного выпучивания свай через несколько лет привел бы к деформации башни.

Таким образом, исторические ПТС нуждаются в системе управления устойчивостью и памятников, и грунтовых оснований. В первую очередь это касается архитектурных ансамблей, находящихся на Русском Севере и особенно в Белозерье, где историческое и современное техногенное воздействие значительно изменило 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 формировать за счет мониторинга, который позволяет не только следить за динамикой процессов, но и предоставляет данные для прогноза их развития.

ПРИМЕЧАНИЯ

1. Невечеря В. Л., Подборская В. О. Принципы организации литомониторинга ансамблей памятников архитектуры Русского Севера (на примере Кирилло-Белозерского монастыря) // Инженерная геология. 1991. № 4. С. 123-133.

2 Там же; Невечеря В. Л., Пашкин Е. М., Подборская В. О. Исследование влияния криогенного пучения на устойчивость памятников Русского Севера // Инженерная геология. 1991. № 6. С. 134-144; Подборская В. О. Особенности инженерно-геологических условий территории Кирилле-Белозерского монастыря // Инженерно-технические вопросы сохранения памятников истории и культуры. М.,1989. С. 35-43.

З Пoдбopcкaя В. О. Особенности инженерно-геологических условий... С. 35-43.

4 Абразия - процесс разрушения волнами и прибоем берегов морей, озер и водохранилищ.

5. Невечеря В. Л., Подборская В. О. Принципы организации литомониторинга...; Невечеря В. Л., Подборская В. О. Разработка принципов и создание системы управления режимом функционирования памятников Белозерья (на примере Кирилло-Белозерского монастыря) // Кириллов: Краеведческий альманах. Вып. 2. Вологда, 1997. С. 188-206.

6 Там же.