Е.И. Романова, А.Г. Купцов, Л.В. Заботкина (Московская государственная геологоразведочная академия, кафедра инженерной геологии), А.М. Панков (ПНИИИС)

Инженерно-геологические задачи в реставрации и сохранении памятников архитектуры Ростовского кремля

Архитектурный ансамбль с окружающей его природной средой, включая и геологическую, представляет собой природно-техническую систему исторической территории. Основы методики комплексного изучения сложившихся природно-технических систем на исторических территориях и защиты памятников архитектуры от разрушения имеют множество аспектов, в том числе: организационный, юридический, экономический, музееведческий, архитектурно-технический, ландшафтоведческий, археологический, социально-экологический, инженерно-геологический. Рост числа деформаций уже отреставрированных памятников заставил обратить особое внимание на условия взаимодействия исторических сооружений с геологической средой, т.е. на инженерно-геологический аспект. Статистика показывает, что более 70 % деформаций памятников архитектуры, аварийных ситуаций и разрушений связаны с причинами, возникающими при взаимодействии памятников с окружающей средой, в том числе с подземной ее частью. В связи с этим, по инициативе профессора Е.М. Пашкина возникло новое научное направление – инженерная геология исторических территорий.

В настоящее время инженерно-геологическими вопросами сохранности памятников архитектуры и исторических ландшафтов занимается ряд научных групп и отдельных специалистов. Опыт показывает, что проведение реставрационных работ на памятниках, без учета изменившихся и изменяющихся инженерно-геологических условий в сфере влияния памятника чаще всего оказывается неэффективным. Затрачиваются значительные средства на устранение деформаций, но, если без внимания остаются причины этих деформаций, то это приводит через некоторое время к их возобновлению.

Сохранение древних архитектурных ансамблей помимо реставрации наземных сооружений требует внимания к их подземной части, в которой сформировались культурные слои, имеющие историческую ценность, сохраняя в себе археологические артефакты и следы древней культуры, и внутри которой поддерживается оптимальный установившийся режим функционирования исторической природно-технической системы. Иными словами, на исторических территориях должна существовать не только традиционная наземная, но и подземная охранная зона.

С 1883 года в Ростовском кремле существет музей, который с 1995 года включен в государственный свод особо ценных объектов культурного наследия народов Российской Федерации. По существующему законодательству тем самым территория музея-заповедника перешла в более строгий режим системы охранных мероприятий.

Целью комплексных исследований, начатых в 1995 г. на исторической территории Ростовского кремля, является изучение и оценка инженерно-геологических условий территории для разработки подземной охранной зоны, а также выполнение детального изучения площадок аварийных сооружений.

Основными задачами комплексных инженерно-геологических исследований являются: оценка текущего состояния исторической природно-технической системы (ПТС) и отдельных ее подсистем (диагностика функционирования ПТС); прогнозирование состояний исторической ПТС на заданные моменты будущего времени; разработка на основе диагноза и прогноза рекомендаций по управлению исторической ПТС (комплекс охранных мероприятий); оценка эффективности выработанных рекомендаций.

Для решения поставленных задач на территории музея-заповедника проведены следующие виды исследований: сбор и обобщение материалов прошлых лет; рекогносцировочное инженерно-геологическое обследование территории; специализированная инженерно-геологическая съемка территории масштаба 1:500 (включая археологические, геодезические, буровые работы; полевые и лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов; химический анализ грунтовых вод; обследование фундаментов и технического состояния зданий и сооружений); обоснование структуры подземной охранной зоны и инженерно-геологической модели исторической территории; составление инженерно-геологической модели исторической территории в виде комплекта карт, разрезов, паспортов; обоснование сети режимных наблюдений (мониторинга исторической территории); создание базы данных « ГМЗ Ростовский кремль» на персональном компьютере; разработка комплекса охранных мероприятий.

Исследования проводились силами научно-исследовательской группы кафедры инженерной геологии МГГА с привлечением ряда специалистов других научных и производственных организаций. Большую координационную помощь в работе оказали директора музея – В.А. Ким, инициатор исследований, и А.Е.Леонтьев. За оперативную поддержку авторы также признательны зам. директора музея по реставрации В.А.Горчакову.

В результате научно-исследовательских работ проведена оценка инженерно-геологических и гидрогеологических условий территории Ростовского кремля для разработки подземной охранной зоны этой исторической локальной природно-технической системы (ПТС) и обоснования комплекса охранных мероприятий. Всесторонняя диагностика состояния основных элементов ПТС Ростовского кремля выполнена единовременно летом-осенью 1999 г, а плановые работы продолжаются до сих пор.

Обобщение и анализ архивных материалов позволили составить характеристику объекта исследований, которая включает краткую историческую справку о строительстве Ростовского кремля, а также выделить в хронологическом порядке этапы хозяйственного освоения исторической территории. Составлена своеобразная историография ансамбля Митрополичьего дома с указанием строительства отдельных памятников архитектуры, их перестроек, реконструкций и реставраций, которая была в последствие учтена при оценке инженерно-геологических условий изучаемой территории и составлении картографической модели.

Результаты выборочного визуального обследования современного технического состояния зданий и сооружений кремля, проиллюстрированные схемами и фотографиями, позволили сделать вывод о том, что в большинстве построек имеются трещины и деформации, характер которых свидетельствует о неравномерных осадках фундаментов и грунтовых оснований и разрушении подземных элементов сооружений.

В неблагоприятном состоянии находятся и требуют срочных мер по восстановлению и реставрации: западная стена Григорьевского затвора, Часобитная башня, Водяная башня, церковь Спаса на Сенях, Красная палата, церковь Григория Богослова.

Результаты выборочного предварительного обследования фундаментов зданий и сооружений кремля позволяют выделить два основных типа фундаментов: с глубиной заложения до 5 м с деревянным шпунтом (Успенский собор) и с глубиной заложения до 2.2-2.4 м на деревянных сваях (практически все сооружения, построенные в конце XYII в). В некоторых случаях отмечается, что в качестве фундаментов частично или полностью были использованы остатки фундаментов сооружений более ранних построек (ц.Одигитрии, восточная стена Архиерейского двора и др.). В целом состояние бутовых фундаментов удовлетворительное, за исключением отмеченного в некоторых местах выпора средних рядов валунов, деструкции известкового раствора и камня.

Оценка инженерно-геологических условий исторической территории позволила охарактеризовать отдельные их компоненты следующим образом.

Ростовская низина находится в поясе умеренно континентального климата с теплым летом и умеренно-холодной зимой. Близость озера создает приозерный микроклимат, характеризующийся избыточным увлажнением и специфическим ветровым режимом, который определяет условия для эпизодического образования смерчей и бурь. В районе г. Ростова имеется развитая гидрографическая сеть. В структуре исторической территории оз. Неро представляет собой неотъемлемую часть естественно-антропогенного ландшафта, включая грунтовые и подземные воды, обусловливающую экологическое состояние всей территории г. Ростова Великого, в том числе кремля.

В рельефе достаточно отчетливо выделены низкая и высокая поймы, а также первая озерная терраса, в пределах которой расположен ансамбль Ростовского кремля. Дневная поверхность в кремле сильно спланирована и изменена в процессе многовекового хозяйственного освоения этой территории.

В геологическом строении приповерхностной части отложений до глубины 20 м участвуют 9 стратиграфо-генетических комплексов (СГК) пород, семь из которых непосредственно вовлечены в основания зданий и сооружений архитектурного ансамбля. Наиболее сложным и неоднородным строением отличается СГК техногенных отложений, нижняя часть которого включает, помимо слабых грунтов, отдельные или целые древние деревянные конструкции. В техногенном СГК обычно заключены каменные (валунные) части фундаментов, частично опирающиеся на слабые, как правило, водонасыщенные отложения или части древних деревянных строений. Деревянные сваи, завершающие конструкцию фундаментов, передают нагрузку от сооружений на суглинки (реже глины) СГК валдайского надгоризонта, имеющих более благоприятные инженерно-геологические прочностные и деформационные характеристики.

Близкое положение УГВ (уровень грунтовых вод) к дневной поверхности на отдельных участках и практически повсеместное распространение гидрофильных пылевато-глинистых и органо-минеральных грунтов в верхней части разреза отложений, при нормативной глубине промерзания 1,9 м для г. Ростова, приводит к процессам пучения грунтов, отмосток, фундаментов с образованием иногда в последних шлировых льдов, разрушающих кладку. Проявление процесса заболачивания внутри кремля отмечается лишь на одном небольшом участке вблизи пруда Митрополичьего сада, а также отмечаются несколько участков на склоне террасы к озеру, где существуют условия для развития этого процесса. Заболачивание не влияет на сохранность памятников, но может привести к изменению некоторых элементов ландшафта и ухудшению экологической обстановки на территории музея-заповедника.

Гидрогеологические условия г. Ростова, его исторического ядра, включая кремль, складываются под влиянием природных и техногенных факторов. Тип режима грунтовых вод сезонного питания, преимущественно весеннего и осеннего, с ярко выраженными пиками подъема уровня весной при дружном снеготаянии и осенью во время выпадения дождей на фоне уменьшения испарения. Особенности природных условий объясняют устойчиво высокое стояние грунтовых вод (<3 м) на всей территории. Поэтому, говоря о проблеме подтопления г. Ростова, следует иметь в виду, что г. Ростов изначально строился в X веке в условиях устойчиво высокого стояния грунтовых вод. Этот фактор обусловлен не техногенными воздействиями, а комплексом природных условий, характерных для этого района. На территории г. Ростова выделяются 4 типа режима грунтовых вод, общей особенностью которых является синхронность колебаний уровня и осадков, что указывает на ведущую роль климата в формировании режима грунтовых вод. Выявленная синхронность обусловливает проявление цикличности в режиме грунтовых вод. Первый от поверхности водоносный горизонт (в валдайских отложениях на территории городской застройки и в техногенных отложениях на территории исторического ядра) имеет тесную гидравлическую связь с нижележащими водоносными горизонтами со своеобразным характером водообмена. Сложное строение палеорельефа (наличие локальных поднятий и понижений) в значительной степени определяет структуру фильтрационного потока и может создавать очаги застойного режима фильтрации.

Разгрузка грунтового потока происходит путем оттока за пределы исторического ядра, преимущественно в сторону оз. Неро, через испарение, путем перетекания в нижележащий валдайский водоносный горизонт через разделяющие слабопроницаемые слои и за счет притока к действующему на территории кремля горизонтальному дренажу.

Режим грунтовых вод в валдайских отложениях контролирует режим «верховодки». Уровень грунтовых вод в техногенных отложениях всегда выше или равен уровню грунтовых вод в валдайских отложениях. Максимальный подъем уровня грунтовых вод на территории Ростовского кремля происходит в апреле. Эти максимумы в среднемноголетнем ряду составляют 1-2 м от поверхности земли. Однако на некоторых участках глубина залегания уровня грунтовых вод весной может быть и менее 1,0 м (Успенский собор, Архиерейский двор). На некоторых участках (Княжьи терема, ц. Иоанна Богослова, Красная Палата, ц. Григория Богослова) уровень грунтовых вод стоит на глубинах менее 1,0 м на протяжении всего года. Амплитуда колебаний уровня (годовая), в среднем, составляет 0,5 м, изменяясь от 0,2 до 0,9 м, что характерно для неглубоко залегающих грунтовых вод (<3,0 м) в зоне избыточного увлажнения.

Фундаментные воды широко распространены в Ростовском кремле и встречаются в валунной кладке, прорезающей слабопроницаемые, часто гумусированные, отложения культурного слоя. При их вскрытии обнаруживаются значительные водопритоки до 1,0 м3/час. В среднем, уровень фундаментных вод на территории Ростовского кремля фиксируется на глубине 1,0 м при вариациях 0,2-1,5 м.

Химический состав грунтовых вод пестрый, но с преобладанием гидрокарбоната. Минерализация, в среднем, составляет 1,0-6,3 г/дм3. На отдельных участках встречаются грунтовые воды с минерализацией до 7 г/дм3, приуроченные, в основном, к очагам застойного режима. С точки зрения санитарно-гигиенического состояния водопроводной воды, грунтовых вод и воды оз. Неро можно сделать вывод, что качество водопроводной воды низкое, а остальные воды опасны для здоровья населения по ряду показателей и непригодны не только для питья, но и для купания в оз. Неро.

Проведенные комплексные инженерно-геологические исследования позволили обосновать структуру и границы подземной охранной зоны (ПОЗ) Ростовского кремля. Граница ПОЗ в вертикальном сечении проходит по кровле озерно-ледниковых отложений московского возраста, на средней глубине около 20 м от дневной поверхности, а в латерали ПОЗ ограничена на юге береговой линией озера Неро и с трех других сторон она имеет функциональные границы, соответствующие границам кремлевской территории. Для каждого структурного элемента ПОЗ предложен комплекс охранных мероприятий для поддержания стабильного режима функционирования ПТС.

Информация, полученная в процессе комплексных инженерно-геологических исследований на исторической территории Ростовского кремля, была положена в основу составления картографической модели ПОЗ, которая включает: карту фактического материала, карты инженерно-геологических условий техногенной и естественной подзон, карту хозяйственного освоения исторической территории с элементами экологической оценки, инженерно-геологические разрезы и графические приложения с характеристикой фундаментов памятников архитектуры. В зарамочном оформлении карт дополнительно приведены: информация справочного характера, сведения о показателях физико-механических свойств грунтов, ретроспективная картограмма технического состояния зданий и сооружений и др. Составленная картографическая инженерно-геологическая модель демонстрирует современное состояние ПОЗ Ростовского кремля.

Диагностика современного состояния ПТС Ростовского кремля дала возможность обосновать систему мониторинга исторической территории и предложить поэтапный план ее организации. Для сбора, накопления и обработки данных режимных наблюдений разработана специальная база данных на персональном компьютере «Природно-техническая система», в которой информация о зданиях и сооружениях кремля группируется в паспорта памятников архитектуры, а информация о ПОЗ обособляется по пунктам получения информации.

Результаты исследований по оценке состояния и инженерно-геологических условий исторической ПТС Ростовского кремля позволяют предложить основные рекомендации по охранным мероприятиям и дальнейшему изучению ПТС, способствующих поддержанию стабильного режима ее функционирования.

  1. Пространственные границы локальной ПТС целесообразно расширить в плане до контуров земляного города и провести дополнительные инженерно-геологические исследования для установления структуры ПОЗ в пределах исторического ядра г. Ростова Великого.
  2. Осуществить корректировку топографической основы масштаба 1:500 территории кремля и прилегающих участков с учетом проведенных планировочных работ по реконструкции дневной поверхности. Проведение дальнейших работ по вертикальной планировке территории и съему верхнего пласта культурного слоя считаем не целесообразным до получения первых надежных результатов запланированного мониторинга ПТС.
  3. Организовать сеть мониторинга исторической территории в соответствии с разработанными предложениями, в которых предусмотрены, в том числе, создание специальной службы по ведению стационарных режимных наблюдений и базы данных по сбору и накоплению оперативной информации.
  4. Для последующего анализа данных мониторинга необходимо разработать критерии оценки опасных состояний ПТС, ведущих к необратимым изменениям и разрушению отдельных элементов ПТС и экосистемы.
  5. В ближайшее время целесообразно провести работы по оценке состояния и влияния действующего горизонтального дренажа на фундаменты и основания памятников архитектуры кремля.
  6. Для целей реставрационных и восстановительных работ провести поэтапно детальные инженерно-геологические исследования на площадках зданий и сооружений архитектурного ансамбля кремля по степени опасности их технического состояния, первоочередными из которых являются: западная стена Григорьевского затвора, Часобитная башня, Водяная башня, Красная палата и др. Детальные исследования рекомендуется проводить с учетом результатов общей оценки инженерно-геологических и гидрогеологических условий всей исторической территории Ростовского кремля.
  7. Осуществить в начале 2002 г. анализ данных мониторинга (с учетом годового цикла) для разработки предварительного прогноза динамики наблюдаемых компонентов природных условий и развития деформаций зданий и сооружений кремля с целью обоснования корректирующих мер, поддерживающих стабильное состояние локальной ПТС.
  8. Разработать совместно с администрацией музея-заповедника план оперативных действий (регламент) при возникновении незапланированных стихийных и аварийных ситуаций в литотехнической системе кремля, ведущих к развитию опасных инженерно-геологических процессов и требующих немедленного устранения причин, оперативного прогноза последствий (риска) и контролирующих мероприятий (измерений) в местах разрешения аварийной ситуации.