Ных пунктов Омской области и при разработке компьютерных геоин

---

8
ных пунктов Омской области и при разработке компьютерных геоин-
формационных систем г. Омска; 
—
в учебном процессе СибАДИ. Созданный курс «Защита от подтопления 
в городском строительстве» внедрен в учебный процесс СибАДИ с 
февраля 1999 г. С мая 2000 г. этот курс размещен на Internet-сайте Си-
бАДИ и используется для дистанционного обучения; 
—
в региональном центре повышения квалификации РЦПК СибАДИ. С 
1999 г. автор проводит периодические лекционные занятия по защите 
от подтопления в городском строительстве для обучающихся специали-
стов.
Автор выражает признательность всем коллегам по работе из СибАДИ, 
ВНИИ ВОДГЕО, государственных, научно-исследовательских, строитель-
ных, проектных, изыскательских и природоохранных организаций, кото-
рые оказали помощь и поддержку в работе. Обсуждение результатов рабо-
ты, а подчас и дискуссии были весьма полезны и направлены на улучше-
ние ее качества. 
Особую благодарность автор приносит своим родителям Наталье 
Алексеевне и Ивану Ивановичу Сологаевым за постоянное внимание, по-
мощь и поддержку в ходе кропотливой исследовательской работы. 
Введение 
Процесс подтопления охватил в настоящее время большинство городов 
мира, расположенных на равнинах [69]. Более 70 % поверхностных грун-
тов Земли сложено породами осадочного происхождения, главным обра-
зом четвертичного возраста [129]: песками, супесями, суглинками и гли-
нами. Большинство городов подтоплено грунтовыми водами, приурочен-
ными к этим породам. 
Защиту от подтопления применяют издавна. Истории многих древних 
цивилизаций начинались с дренажей: осушение болот долины Нила 6000 
лет назад, осушение междуречья Тигра и Евфрата 5000 лет назад, осуше-
ние пойм Янцзы и Хуанхэ 4000 лет назад [65]. Первые трубчатые дренажи 
появились ещё до нашей эры. В средние века в Западной Европе о дренаже 
забыли, и лишь с 1650 г. в Англии стали устраивать дренажи из дерева, 
фашин и камня [321]. Дренаж крепостей и улиц древнего Новгорода был 
устроен в XI в. [292]. 
До середины XIX в. дренажи проектировали интуитивно, исходя из 
имеющегося практического опыта. В 1856 г. инженер Анри Дарси (H. 
Darcy) опубликовал результаты исследований фильтрации воды через пес-
ки в связи с устройством колодцевого водоснабжения г. Дижона [331]. Так 
был открыт закон фильтрации (закон Дарси) — основа современных 
фильтрационных расчётов и моделирования защиты от подтопления. Это 

---

9 
типичный феноменологический закон, базирующийся на экспериментах. К 
подобным линейным законам относятся закон теплопроводности Фурье, 
закон диффузии Фика и закон электропроводности Ома [305]. Подобие 
этих законов позволяет совместно использовать решения дифференциаль-
ных уравнений движения и моделировать по аналогии. 
Отечественные ученые внесли значительный вклад в развитие теории 
фильтрации. Профессор Н.Е. Жуковский в 1889 г. опубликовал работу 
«Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод» с выводом 
общих дифференциальных уравнений фильтрации [81]. Книги академика 
Н.Н. Павловского [187] вышли в свет в 1920-30 гг., заложив фундамент 
отечественной школы фильтрации и моделирования.
В период 1930-40 гг. в СССР решали преимущественно стационарные 
(установившиеся) фильтрационные задачи с применением метода кон-
формных отображений. Этот метод позволял решать двухмерные задачи, 
напорные и безнапорные. Такие задачи назвали гидродинамическими или 
гидромеханическими [210]. Гидромеханический метод в теории фильтра-
ции разработал Н.Н. Павловский [188, 187], в дальнейшем этот метод раз-
вивали В.И. Аравин, С.Н. Нумеров, В.В. Ведерников и другие отечествен-
ные ученые [13]. 
С конца 1940-х — начала 1950-х гг. расчеты начали дополняться реше-
ниями нестационарной фильтрации, преимущественно в рамках так назы-
ваемой гидравлической теории фильтрации с использованием предпосыл-
ки Дюпюи, когда фильтрационный напор упрощенно считают не завися-
щим от вертикальной координаты [200]. В этих решениях широко исполь-
зуется математическая аналогия теорий фильтрации, теплопроводности и 
диффузии. Это позволило распространять имеющиеся решения из одной 
дисциплины в другую. Наиболее продуктивным оказался операторный ме-
тод решения дифференциальных уравнений фильтрации [210]. Расчетные 
методики с гидравлическими решениями создали С.К. Абрамов, С.Ф. 
Аверьянов, В.И. Аравин, В.А. Барон, Ф.М. Бочевер, Н.Н. Веригин, Е.С. 
Дзекцер, Н.П. Куранов, Н.Н. Лапшин, В.А. Мироненко, А.Ж. Муфтахов, 
Р.А. Нагуманов, В.П. Недрига, С.Н. Нумеров, П.Я. Полубаринова-Кочина, 
Г.А. Разумов, А.В. Романов, В.К. Рудаков, В.С. Саркисян, В.С. Усенко, 
И.А. Чарный, Э.Б. Чекалюк, Б.С. Шержуков, А.П. Шевчик, В.Н. Щелкачев, 
В.М. Шестаков, Ц.Н. Шкинкис, Д.Ф. Шульгин и многие другие. 
В 1940-60 гг. вопросами теории и практики защиты от подтопления в 
промышленном и городском строительстве занимался профессор С.К. Аб-
рамов (ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР). В 1960-90 гг. происходила нара-
ботка аналитических решений по защите от подтопления городов. В 1975 
г. А.Ж. Муфтахов разработал гидродинамические основы прогнозов под-
топления и фильтрационных расчетов защитного дренажа в сложных гид-
рогеологических условиях [157]. В 1986 г. в СССР впервые был опублико-

---

10 
ван «Инженерная защита территории от затопления и подтопления» [239]. 
В 1991 г. вышло справочное пособие к СНиП [208], содержащее аналити-
ческие решения по теории фильтрации. Данное справочное пособие к 
СНиП было разработано группой ученых под руководством профессора 
А.Ж. Муфтахова (ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР). Кроме фильтрацион-
ных расчетов в пособие к СНиП включены разделы по предупредительным 
мероприятиям, конструкциям дренажей и их гидравлическому расчету. С 
1990-х гг. развитие научной школы ВНИИ ВОДГЕО С.К. Абрамова и А.Ж. 
Муфтахова продолжил профессор Н.П. Куранов [120]. 
Оригинальный градостроительный подход к дренированию территорий 
был разработан Б.М. Дегтяревым [69]. Данный автор получил известность 
также благодаря своим многочисленным изобретениям по вакуумным дре-
нажам. 
Интересные дополнительные исследования по проблеме подтопления 
проведены В.И. Федоровым [293]. Указанный автор на основе более чем 
30-летних исследований дальневосточных городов России пришел к выво-
ду о существенной роли в подтоплении разуплотненных обратных засыпок 
подземных сооружений и фундаментов. По данным В.И. Федорова, подто-
пление городов может происходить лишь от инфильтрации атмосферных 
вод в обратные засыпки траншей инженерных сетей и котлованов зданий, 
то есть даже при отсутствии утечек из водонесущих коммуникаций. 
За рубежом теория фильтрационных расчетов была разработана не-
сколько раньше, чем в России. В 1857 г. Жорж Дюпюи (J. Dupuit) предста-
вил свой мемуар по динамике подземных вод, который более известен по 
второму изданию 1863 г. [333], где дал основы гидравлической теории 
движения грунтовых вод [200]. Развитие этой теории получило в трудах 
другого французского ученого Жозефа Буссинеска (J. Boussinesq) в конце 
XIX — начале XX вв. [330]. Интересно, что данная теория до сих пор оста-
ется основной при фильтрационных расчетах и моделировании защиты от 
подтопления. Австрийский ученый Филипп Форхгеймер (Ph. Forchheimer) 
обобщил гидравлическую теорию Дюпюи [334, 299]. Ученый из США М. 
Маскет опубликовал в 1937 г. солидную книгу по теории фильтрации, ко-
торая была переведена на русский язык в 1949 г. [141]. Ему удалось, в ча-
стности, получить точное решение для гидродинамически несовершенной 
скважины. Более полный обзор зарубежных работ представлен в книгах 
[13, 40, 188, 200, 210].
Моделирование защиты от подтопления в России и СССР началось с 
работы Н.Н. Павловского 1922 г. [188], предложившего метод электрогид-
родинамических аналогий (ЭГДА). Численный метод конечных разностей 
в гидрогеологии начал применять Г.Н. Каменский с 1943 г. [90]. Подроб-
ный обзор становления моделирования в нашей стране и за рубежом при-
веден в монографии И.К. Гавич «Теория и практика применения модели-

---

11 
рования в гидрогеологии» [50]. Значительный вклад в развитие отечест-
венного моделирования внесли В.И. Аравин, И.К. Гавич, Н.И. Дружинин, 
И.Е. Жернов, Г.Н. Каменский, А.В. Лебедев, В.С. Лукьянов, Е.А. Ломакин, 
В.А. Мироненко, С.Н. Нумеров, Д.Ю. Панов, И.С. Пашковский, А.А. Са-
марский, П.Ф. Фильчаков, В.М. Шестаков и другие. 
За рубежом наиболее существенные работы по моделированию фильт-
рации опубликовали М.П. Андерсон (M.P. Anderson), Я. Бэр (J. Bear), К.А. 
Бреббиа (C.A. Brebbia), Дж. Ф. Ванг (J.F. Wang), Т.В. Громадка II (T.V. 
Hromadka II), Р.Дж.М. Де Уист (R.J.M. De Wiest), О. Зенкевич (O. Zien-
kiewich), У. Карплюс (W. Karplus), Л.Ф. Коников (L.F. Konikow), С.П. Лар-
сон (S.P. Larson), Ч. Лей (C. Lai), Г.П. Леннон (G.P. Lennon), Дж.А. Лиггетт 
(J.A. Liggett), Л. Лукнер (L. Luckner), П.Л.Ф. Лью (P.L.F. Liu), Т. Нарисим-
хан (T. Narisimhan), Г.Ф. Пиндер (G.F. Pinder), Д.В. Писмен (D.W. Peace-
man), К.Р. Раштон (K.R. Rushton), И. Ремсон (I. Remson), Р.В. Соутвелл 
(R.V. Southwell), Р.В. Столлмен (R.W. Stallman), П.К. Трескотт (P.C. Tres-
cott), Д.К. Тодд (D.K. Todd), Х.С. Хеле-Шоу (H.S. Hele-Shaw), Г.М. Хорн-
бергер (G.M. Hornberger), И.К. Чанг (Y.K. Cheung) и другие. 
В настоящее время моделирование фильтрации подземных вод при за-
щите от подтопления во всём мире реализуется численно на ЭВМ (компь-
ютерное моделирование) и считается наиболее чистым способом. Анало-
говое моделирование устарело, установки типа ЭГДА, БУСЭ и УСМ уже 
давно не выпускаются промышленностью. Физическое моделирование 
фильтрации в грунтовых лотках играет подчинённую роль и применяется 
лишь для изучения частных, локальных эффектов фильтрации. 
В подавляющем числе публикаций по численному моделированию су-
ществует проблема чрезвычайной сложности методик. Даже если текст 
программы приводится, от пользователя требуется, чтобы он дополни-
тельно стал прикладным математиком и профессиональным программи-
стом. Это сильно тормозит широкое внедрение компьютерного моделиро-
вания фильтрации. Поэтому нами разработана и представлена новая тех-
нология численного моделирования фильтрации. Применен метод конеч-
ных разностей в электронных таблицах Microsoft Excel, получивший на-
звание МКР-Excel. Новая методика моделирования вобрала в себя лучшие 
черты традиционных технологий. Она проста как аналоговое моделирова-
ние, но не имеет его физических ограничений. Она точна и практически 
неограниченно расширяема, поскольку оперирует с числами, а не с физи-
ческими характеристиками. 
Технология моделирования фильтрации в электронных таблицах МКР-
Excel внешне напоминает дискретное аналоговое моделирование на сеточ-
ных электроинтеграторах резисторного типа. Это позволяет использовать 
наработки ставшими классических книг по аналоговому моделированию 
геофильтрации И.К. Гавич, И.Е. Жернова, Л. Лукнера, В.А. Мироненко, 

---

12 
В.М. Шестакова и других авторов. С другой стороны, таблицы Excel име-
ют массовое распространение и обладают встроенным языком макропро-
граммирования Visual Basic for Application (VBA). Это позволяет исследо-
вателям эволюционно наращивать возможности по автоматизации модели-
рования в процессе накопления опыта, что было проблематично на анало-
говых моделях. Аудитория пользователей Excel огромна, легко налаживать 
информационный обмен и быстро обучать моделированию. Основные 
приемы МКР-Excel приведены достаточно полно в данной монографии. 
Преподавание теории фильтрации по защите от подтопления в универ-
ситетах и вузах СССР и России всегда проводилось на должном уровне. 
Монографические учебные пособия В.И. Аравина и С.Н. Нумерова [13], 
П.Я. Полубариновой-Кочиной [199], появившиеся в начале 1950-х гг., ока-
зали огромное влияние на подготовку специалистов по борьбе с подтопле-
нием. Учебники по гидрогеодинамике И.К. Гавич [49], В.А. Мироненко 
[153] и В.М. Шестакова [314] взаимно дополнили друг друга. 
Подтопление влияет на технологию городского строительства. Строи-
тельные процессы значительно усложняются на подтопленных городских 
территориях и отдельных площадках строительства, при проведении зем-
ляных работ, реконструкции городской среды [102, 281, 282, 312]. 
В России водопонижение с помощью скважин начали применять в 
конце XIX века. До этого в котлованах, траншеях и шахтах применяли во-
доотлив насосами. В 1920-30-х гг. профессор И.П. Кусакин разработал 
гидравлическую методику расчета для обоснования проектирования ис-
кусственного водопонижения [122]. В 1940-50-х гг. в нашей стране поучи-
ли распространение иглофильтровый и эжекторный способ водопониже-
ния. Методики расчета строительного водопонижения в 1950-60 гг. опуб-
ликовали С.К. Абрамов, С.Ф. Аверьянов, В.И. Аравин, П.П. Аргунов, Ю.П. 
Борисов, Н.Н. Веригин, В.М. Григорьев, Г.М. Мариупольский, С.Н. Нуме-
ров, А.В. Романов, И.А. Чарный, В.М. Шестаков. В 1970-90-х гг. расчет-
ные методики для установок вакуумного водопонижения представили Р.Н. 
Арутюнян, К.С. Боголюбов, Б.С. Краковский и другие. 
За рубежом вопросами фильтрационных расчетов при строительном 
водопонижении занимались А. Тим (A. Thiem), В. Зихардт (W. Sichardt), К. 
Терцаги (K. Terzaghi), А. Кезди (A. Kézdi), И. Шульце (J. Schultze), С. Ир-
мей (S. Irmay), Ф. Форхгеймер (Ph. Forchheimer), Д.Н. Дитц (D.N. Dietz), В. 
Кнаупе (W. Knaupe), В. Кирилейс (W. Kyrieleis), Л. Казагранде (L. Ca-
sagrande), Р. Пек (R. Peck) и другие. 
Обзор публикаций показывает, что в подавляющем большинстве мето-
дик фильтрационных расчетов по защите от подтопления у различных ав-
торов отсутствует учет техногенных изменений проницаемости грунтов 
оснований и особенностей тепловлагообменных ресурсов климата городов. 
Исключение составляют лишь отдельные работы. Существующие методи-

---

13 
ки фильтрационных расчетов при малой мощности грунтовых вод и в пер-
воначально необводненных грунтах [210] охватывают не все важные слу-
чаи подтопления и дренирования. Например, не известно точное решение о 
радиальном растекании языка по водоупору в необводненных грунтах, а 
также другие случаи, которые рассмотрены в нашей работе. 
Техногенные изменения проницаемости грунтов оснований и фильтра-
ционных неоднородностей рассматривали А.Ж. Муфтахов [205], В.К. Ру-
даков [152], В.П. Пилатовский [192], В.С. Спорышев [268], М.И. Швидлер 
[309, 311], Г. Шнейдер [345, 346, 347], Р.Г. Поуп и К.С. Хоу [344]. Однако 
в этих работах рассмотрены или частные случай плановой неоднородности 
(А.Ж. Муфтахов, В.К. Рудаков, В.П. Пилатовский, В.С. Спорышев, Г. 
Шнейдер), или только влияние свайных фундаментов на потоки грунтовых 
вод (Р.Г. Поуп и К.С. Хоу), но без учета уплотнения грунта вблизи свай и 
т.д. 
Стохастические подходы к прогнозам подтопления исследовали В.К. 
Рудаков, С.П. Поздняков, В.Н. Шестаков [317]. М.И. Швидлер [310, 311] 
рассмотрел статистические модели неоднородностей, равномерно распре-
деленных по грунтовому пространству. М.В. Болгов, Е.С. Дзекцер и В.Ф. 
Писаренко вероятностно-статистически проанализировали подтопление 
застраиваемых территорий [29]. Большое количество работ такого направ-
ления по теории фильтрации перечислено в [210]. 
С каждым годом увеличивается степень изученности инженерной тол-
щи грунтов оснований городов. Городская гидрогеологическая среда ста-
новится всё более детерминированной техногенной системой. Поэтому в 
нашей работе все расчеты и моделирование, следуя И.К. Гавич [50], рас-
смотрены для детерминированных систем. 
По учету техногенного изменения микроклимата городов при защите 
от подтопления публикаций очень мало. Есть частные случаи учета раз-
личных климатических факторов. В справочном пособии к СНиП по защи-
те от подтопления [208] дана таблица техногенной дополнительной ин-
фильтрации влаги на территориях городов в зависимости от климатиче-
ских зон увлажнения. С.Ф. Аверьянов [7] построил расчетные зависимости 
фильтрации воды из каналов с учетом испарения. Ряд работ такой же на-
правленности перечислены в монографии П.Я. Полубариновой-Кочиной 
[200]. 
В 1980-х годах С.И. Кабакова, Л.Г. Чернега и др. [150, 306, 216] разра-
ботали методики многофакторной экономической оценки ущерба от под-
топления территорий городов и определения экономической эффективно-
сти проведения предупредительных и защитных мероприятий. В настоя-
щее время эти методики требуют переосмысления с учетом многоукладной 
экономики городского строительства и хозяйства, однако эта тема требует 
отдельного исследования. 

---

14 
Наша кандидатская диссертация «Расчет подтопления застраиваемых 
территорий с учетом влияния свайных оснований» [262] решила узкую те-
му. Настоящая работа преследует цель существенно углубить и расширить 
авторскую методику расчетов и моделирования, основные положения ко-
торой, имеющие научную новизну, перечислены выше. 
Поэтому достаточно актуальным является совершенствование методов 
фильтрационных расчетов и компьютерного моделирования по защите от 
подтопления в городском строительстве, предпринятое в нашей работе.