Механическая суффозия

Карст

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Лекция 9.

Под карстом понимают совокупность процессов и явлений, свя­занных с растворением трещиноватых горных пород (известняков, гипса, каменной соли и др.) и образованием отрицательных форм рельефа на поверхности земли и различных полостей, каналов и пещер в глубине. Нередко развитие карста сопровождается провала­ми и оседанием кровли, образованием воронок, озер и других впа­дин на земной поверхности.

Термин «карст» произошел от одноименного названия извест­някового плато в бывшей Югославии близ г. Триеста, где подоб­ные явления наиболее развиты. Горные породы, которые подвержены развитию карста, называют карстуюшимися, массивы гор­ных пород — закарстованными, а районы, где развивается карст, — карстовыми. Провалы и оседания земной поверхности, вызванныe карстом, представляют значительную опасность для существу­ющих зданий и сооружений. Особенно это относится к строитель­ству и эксплуатации в карстовых районах гидротехнических, транспортных и подземных сооружений (прорывы карстовых вод в тоннели, провалы грунтов под зданиями и на трассах железных до­рог, разрушения мостов, незаполняемые водохранилища и другие аварии и деформации).

Карст широко распространен в мире. Карсту подвержена значи­мая часть всей суши Земли, в том числе большие площади и в России (районы, где имеются растворимые горные породы). Интенсивность развития карстовых процессов может быть весьма высокой. Так, например, по данным Р. Ньютона (1984), в США только в штате Алабама за последнее время возникло огромное число искусственно вызванных провалов и оседаний земной поверхности, связанных с техногенной активизацией карста. Отдельные воронки достигали 50—60 м в диа­метре и до 30 м глубиной.

Основные условия и интенсивность развития карста. Необхо­димыми условиями развития карста являются:

1) наличие раствори­мых горных пород;

2) трещиноватость пород, обеспечивающая про­никновение воды;

3) растворяющая способность воды и ее активная циркуляция (движение) по трещинам.

При сочетании на конкретном участке этих условий развитие кар­ста неизбежно, при исключении хотя бы одного из них — карст не образуется.

По характеру растворимых пород различают три основных типа карста: карбонатный (известняк, доломит, мел, мергель), сульфат­ный (гипс, ангидрит) и соляной (каменная и калийная соли).

Карбонатный карст, распространенный в мире наиболее ши­роко, развивается очень медленно, так как он связан с труднора­створимыми породами — известняками, доломитами и другими карбонатными породами. Наибольшую опасность представляют существующие до начала строительства карстовые формы, а так возможная их активизация под воздействием инженерно-хозяй­ственной деятельности человека.

Типичным примером техногенной активизации карбонатного кар­ста может служить образование карстово-суффозионных воронок на территории г. Москва. В этих случаях развитие карстового про­цесса сопровождается суффозионным выносом тонкодисперсного гли­нистого заполнителя из карстовых полостей фильтрационным по­током. Ранее Москва считалась городом, где карстовые процессы затухли и не проявляли себя на поверхности земли. Однако интен­сивный отбор подземных вод, подработка территории, утечки вод из подземных коммуникаций, а также динамические и вибрационные воздействия транспорта и строительных работ и некоторые другие факторы (возможно, загрязнение подземных вод) заметно усилили эти процессы.

В среднерастворимых породах (сульфатный карст в гипсах и ан­гидритах) скорость развития карстовых процессов соизмерима со сро­ками строительства и эксплуатации сооружений. И, тем не менее, сульфатный карст представляет серьезную угрозу при строительном освоении территории (углубление огромных карстовых воронок на железной дороге в районе г. Уфы и др.).

Наибольшей скоростью развития отличается соляной карст (легкорастворимые каменная, калийные и другие соли). Поэтому строительство сооружений в районах его развития рекомендуется выносить за пределы опасных участков. Например, вряд ли целесообраз­но какое-либо строительство в районе Илецкого соляного купола, где на площади 5 км² ежегодно образуются несколько провалов глубиной до 10 м и более.

На скорость развития карстового процесса во всех типах карста огромное влияние оказывает интенсивность водообмена, которая, в свою очередь, зависит от особенностей рельефа и его гипсометри­ческого положения относительно базиса эрозии (ближайших рек, водоемов и т. п.). Карстовый процесс будет активно развиваться до тех пор, пока уровень подземных вод в закарстованном массиве не достигнет уровня местного базиса эрозии. После достижения этого уровня развитие карста приостанавливается.

Толща горных пород, расположенная выше уровня грунтовых вод, где развита активная циркуляция воды и происходит образо­вание различных пустот и полостей, называется зоной карстообразования. Ниже уровня грунтовых вод располагается зона цемен­тации, для которой характерно заполнение трещин природным це­ментом и затухание карстового процесса.

Типы и формы карстового рельефа. Существует два основных типа карстового рельефа:

1) закрытый, когда карстующиеся породы покрыты толщей нерастворимых пород различной мощности (Рус­ская равнина и др.) и

2) открытый (поверхностный), при котором карстующиеся породы выходят непосредственно на дневную поверх­ность (молодые складчатые горы Крыма, Закавказья и др.).

Формы карстового рельефа подразделяют на поверхностны е и под­земные.

Поверхностные карстовые формы представлены каррами, про­вальными воронками, понорами, карстовыми котловинами и другими формами карстового рельефа (рис. 27.2, по Н. И. Ни­колаеву).

Карры — это небольшие углубления (от нескольких сантимет­ров до 1—2 м) типа борозд на поверхности карстующихся пород, глав­ным образом известняков.

Наиболее распространенной карстовой формой является проваль­ная воронка, которая образуется в результате обрушения горных пород над подземной карстовой полостью. Диаметр воронок колеблется от 1—2 до 40—50 м, редко до 100 м и более, глубина различная — от 1 — 2 м до десятков метров и более (иногда до 100 м). На дне карстовых воронок может находиться водопоглощающее отверстие — понор.

Карстовые провальные воронки возникают внезапно, поэтому они представляют главную опасность для сооружений в карстовых районах.

К наиболее крупным поверхностным карстовым формам отно­сят замкнутые впадины — карстовые котловины и полья, которые достигают очень больших размеров (десятков и сотен квадратных километров).

Примерами подземных карстовых форм могут служить пеще­ры, естественные шахты, колодцы, галереи, каналы, ка­верны и др. Самые крупные в мире карстовые пропасти имеют глу­бину более 1100 м, длиннейшие пещеры мира превышают 100 км и более. В ряде карстовых районов наблюдаются исчезающие озера, а также реки, которые движутся по огромным подземным руслам

Инженерно-геологические изыскания в карстовых районах. В со­став работ входят изучение форм и механизма формирования поверхностных и подземных карстовых проявлений, оценка устойчивости мас­сивов горных пород, степени активности карстового процесса, возмож­ности его активизации под воздействием техногенных факторов и др. При оценке степени активности карстового процесса, в первую очередь, выделяют пассивный (древний) и активный (действующий) карст. Наибольшую опасность для строительства представляет дей­ствующий карст, степень активности (А) которого оценивается (в %) по формуле:

А = 100•V_B/V,

где V_B — объем растворенной породы; V — общий объем карстующихся пород в массиве.

Для перспективного планирования размещения различных стро­ительных объектов в карстовых районах очень важно установить степень закарстованности территории. Ее определяют в ходе марш­рутных обследований, рассчитав количество провальных воронок, карстовых озер и других проявлений карста, приходящихся на 1 км² площади исследуемой территории.

Не менее важно оценить устойчивость массивов горных по­род в карстовых районах, которую определяют по скорости образования карстовых воронок за год. К очень неустойчивым, относят территории, где на 1 км² образуется свыше 1 карстового провала в год.

При отсутствии карстовых провалов за последние 50 лет терри­тория может рассматриваться как карстово-неопасная, т. е. устойчи­вая (VI категория) и проекты ее застройки следует выполнять как для некарстовых районов.

На территории, отнесенной к очень неустойчивой (I категория), строительство зданий и сооружений не рекомендуется.

Противокарстовые мероприятия. Для инженерной защиты зда­ний и сооружений от карста применяют следующие основные ме­роприятия (СНиП 22-02—2003): водозащитные, геотехнические (ук­репление оснований) и конструктивные.

Существует три основных направления противокарстовой защиты. К первому относят активные меры, направленные на коренное изменение или предотвращение карстового процесса: 1) укрепление оснований путем тампонажа (заполнения) карстовых полостей и тре­щин песчано-глинистым материалом, а также нагнетанием в них це­ментного раствора, горячего битума, жидких смол; 2) опирание фундаментов на надежные незакарстованные или закрепленные грунты.

Второе направление противокарстовой защиты предусматривает максимальное сокращение инфильтрации поверхностных, техно­генных и хозяйственно-бытовых вод в грунт (вертикальная плани­ровка земной поверхности, противофильтрационные завесы и экра­ны, дренаж агрессивных подземных вод, ограничение откачек под­земных вод и др.).

При невозможности укрепить или предохранить закарстованный массив от развития карста следует использовать третье направление — конструктивные меры. В их состав входят специальные конст­руктивные решения фундаментов, в том числе прорезка всей толщи закарстованных пород глубокими фундаментами, главным образом свайными; надфундаментные и поэтажные пояса, повышение проч­ности и жесткости сооружений и др.

Механическая суффозия — процесс выноса мелких частиц из рыхлых обломочных пород фильтрующейся водой. Для развития механической суффозии необходимы значительная скорость движе­ния подземной воды для отрыва и выноса тонких фракций грунта, а также наличие условий для разгрузки песчано-глинистого материа­ла.

Механическая суффозия чаще всего наблюдается в тонко- и мел­козернистых песках, реже — в пылевато-глинистых и других поро­дах. Суффозия сопровождается оседанием вышележащих пород, об­разованием пустот, воронок и провалов. Как правило, механичес­кая суффозия развивается сравнительно медленно (годы, десятки лет) и проявляется в основном на локальных участках, реже — имеет региональное распространение (Нижнее Поволжье, южные районы Сибири и др.).

Значительно более интенсивно протекает процесс техногенной механической суффозии. Она развивается в случае выноса песчано-глинистого материала в строящиеся подземные коллекторы при ава­риях водопроводных систем, быстрой сработки уровней водохрани­лищ, длительных откачках подземных вод, работе дренажа и др.

В 70—90-е гг. прошлого столетия негативные последствия суф­фозии, по оценке А. Л. Рагозина (1993), наблюдались в 958 городах России. В настоящее время значение суффозионной опасности еще более возросло.

Основными условиями развития механической суффозии яв­ляются:

1. неоднородность гранулометрического состава песчаных грун­тов, при которой возможен вынос мелких частиц из песча­ной толщи;

2. критическая величина вымывающих скоростей фильтраци­онного потока;

3. наличие условий для выноса мелких частиц на дневную по­верхность в основаниях склонов, строительных котлованах, различных выемках и т. д.

Для ориентировочной оценки суффозионной опасности грунта используют коэффициент неоднородности гранулометрического состава (по 3. Хазену), определяемый по формуле К_н = d₆₀/d₁₀, где d₆₀ и d₁₀ — диаметры, соответствующие 60- и 10%-ному содержанию фракции. Песчаные грунты разделяются на суффозионные — Кн >20, переходные- Кн = 10-20 и несуффозионные — Кн < 10.

Суффозия может возникать и на контакте двух различных составу слоев, например, глинистого и песчаного.

Обязательным условием развития механической суффозии яв­ляется также критическая величина гидравлического градиента I_кр водного потока. Многочисленные исследования показали, что при значениях I_кр >= 5 в песчаном грунте возникает турбулентное движе­ние, мелкие частицы переходят во взвешенное состояние и могут выноситься вместе с фильтрационным потоком.

К основным мероприятиям по борьбе с механической суффо­зией следует относить: 1) прекращение движения воды через размы­ваемый массив; 2) осушение или уменьшение скоростей движения воды до безопасных величин; 3) перекрытие мест выхода подзем­ных вод тампонированием или присыпкой песка; 4) искусственное закрепление ослабленных суффозией пород методами технической мелиорации (цементацией, глинизацией, битуминизацией и др.).

При разработке практических рекомендаций по борьбе с суффозионно-эрозионными процессами на орошаемых площадях в основу должен быть положен принцип взаимообратимости процессов набухания и усадки. Для этого рекомендуется предварительное замачивание опасных участков путем многократных прямых поливов с целью набухания глин и последующего смыкания трещин.

Дата добавления: 2014-01-04