50. Инженерно-геологическое изучение карста и меры борьбы с ним.

Система инженерных и иных мероприятий по обеспечению защиты существующих и проектируемых различных наземных и подземных сооружений на закарстованных территориях или внутри массива пород по своему содержанию и назначению различны и подразделяются:

1) для районов распространения карбонатного карста, обычно харак­теризующегося слабой и не опасной современной активностью, обосно­ванием мероприятий являются данные о характере, степени и прост­ранственной закарстованности массива пород;

2) для районов актив­ного современного карста в гипсах и солях, где вероятны и часты под­земные обрушения и провалы на поверхности земли из-за большой за­карстованности и ее вероятного значительного увеличения;

3) для на­правленных на предотвращение или существенное снижение скорости карстовых процессов до величин, безопасных для сооружений и терри­тории, возникших под воздействием техногенных факторов.

Характер и объем противокарстовых мероприятий зависит от кон­кретных инженерно-геологических условий территории и различны для промышленно-городских зданий, авто- и железных дорог, гидротехниче­ских, подземных сооружений и др. В практике проектирования и строи­тельства в карстовых районах применяются защитные мероприятия.

1. Организация стока поверхностных вод (дождевых, талых, хозяй­ственных), предусматривающая практически полный их перехват си­стемой канав, ливневодов, покрытий, тампонированием карстовых во­ронок и рвов, исключающая поступление агрессивных вод в карстующуюся толщу. Это обязательное мероприятие осуществляется обычно на большой площади, требует тщательности выполнения и эксплуа­тации.

2. Дренаж агрессивных подземных вод в целях недопущения их в толщу пород под защищаемыми сооружениями или освоенной тер­риторией, иногда в сочетании с искусственным засолением для умень­шения растворяющей способности вод. Расположение, конструктивные решения и эффективность дренажной системы требует из-за сложности обстоятельного гидрогеологического обоснования данными разнообраз­ных натурных и экспериментальных исследований.

3. Заполнение (тампонирование) карстовых полостей и трещин песком, мелким щебнем и цементным раствором с помощью засыпки и нагнетания, для поддержания свода пещеры и предотвращения его обрушения на участке расположения сооружения. При осуществлении этого мероприятия нет уверенности, что все и полностью крупные по­лости будут так плотно затампонированы, что исключаются деформации пород в сводах. Кроме того, при заполнении полостей слабофильтрующим материалом возможно формирование новых путей движения под­земных вод и активизация карста в прилегающих толщах растворимых пород. Требуется детальный анализ эффективности данного мероприя­тия как временного, так и постоянного действия.

4. Создание в кровле закарстованнои толщи или в основании выше­лежащих пород искусственно закрепленного слоя соответствующей тол­щины и протяженности, являющегося своеобразным перекрытием, вос­принимающим нагрузку от сооружения и предохраняющего от распространения вверх зоны сдвижения в случае обрушения свода крупной карстовой полости и не нарушающего сложившихся путей движения подземных вод. Во многих случаях при благоприят­ном геологическом разрезе участка данное мероприятие эффективно для стабилизации полотна авто- и железных дорог, отдельных зданий, опор и др.

При невозможности тем или иным способом укрепить закарстован-ный массив в основании сооружений следует предусмотреть особые виды их фундаментов и конструкций, мало деформирующихся при воз­никновении провалов. Такие фундаменты могут быть в виде опор глу­бокого заложения, ниже зоны сильной закарстованности, где возможны обрушения, а также фунда­менты из свай-стоек, из (вися­чих свай и др.).

Ответственной и сложной проблемой является оценка закарстованности массива, скорости процессов, их опасности и выбор защитных мероприятий при возведении высоких плотин. Из многочисленных слу­чаев создания плотин и водохранилищ, когда возникает фильтрацион­ный поток с большими расходами, важный не только с позиций потерь воды, но опасный для устойчивости сооружений, в связи с образова­нием суффозионных и других процессов.

Методы борьбы с карстовыми процессами в соляных толщах более сложные из-за легкой растворимости этих пород. Одним из методов, применяемых при открытой разработке соляных месторождений, яв­ляется создание гидрозавес различных типов. Верхнюю часть прес­ных грунтовых вод дренируют кольцевой траншеей или галереей и сбрасывают «на сторону», за пределы влияния карьера. Нижнюю часть надсолевого потока грунтовых вод перекрывают из траншеи непрони­цаемой продольной перемычкой (стенкой) и подпитывают его рассо­лами, выкачиваемыми из карьера, чем предотвращается растворение соляного пласта. При ином гидрогеологическом строении, при подзем­ной разработке солей или в случае предотвращения возможности вы­щелачивания и карста в соляной пачке или купола создается другая система гидрозавес, в том числе путем искусственного насыщения подземных вод рассолами, делающими их неагрессивными.

Вопросы методики исследования карста. Методика изучения карста в инженерно-геологических целях основывается на следующих поло­жениях.

1. Закономерности, интенсивность, степень и распространение со­временной закарстованности существенно различны в карбонатных, ме­ловых, гипсовых и соляных толщах. Развитие карстовых процессов в прошедшие геологические и современную эпоху возможно при соче­тании четырех основных условий. На карстовые процессы большое влияние оказывают: фациально-литологическая изменчивость пород, их растворимость, наличие глинистых прослоев, трещиноватость, склад­чатые и разрывные структуры, геологическая история развития, гидро­динамические зоны с различным режимом подземных вод и балансом в каждой из них.

2. Комплексные гидрогеологические и инженерно-геологические ис­следования должны установить региональные и локальные (в конкрет­ном массиве пород и в каждую эпоху) закономерности карста, основ­ные и способствующие природные и техногенные факторы по возмож­ности в приближенно-количественной и временной форме. Изучение гидрогеологических факторов и скорости развития карста — наиболее важный раздел исследований.

3. По материалам комплексных исследований оценивается степень v. распространение закарстованности массива пород, на основе кото­рых определяются опасность карста и система укрепительных и защит­ных мероприятий, а также конструкции и типы фундаментов соору­жений.

4. Задачи, содержание, виды и объемы натурных, эксперименталь­ных и других исследований зависят от особенностей геологического строения и гидрогеологических условий массива карстующихся пород, зональности и интенсивности карста и определяются назначением ис­следований — региональное изучение, промышленно-городское, транс­портное, гидротехническое, подземное строительство (включая шахт­ное) и другое, а также стадией изысканий. Как правило, основные вопросы исследований сохраняются на всех этапах, но изменяется их детальность, а следовательно виды, методы и объемы работ, техноло­гия их выполнения.

На начальном этапе изысканий для обоснования схем намеченного строительства, освоения и защиты территории или при региональных исследованиях ведущими запросами являются выявление общих гео­логических и гидрогеологических, в том числе палеогидрогеологических закономерностей карста, его приуроченность к стратиграфо-литологическим комплексам и структурам пород, характер и степень их закарстованности, а также черты истории формирования карста. На этом этапе основным методом изучения является специализированная геологическая съемка, начало режимных наблюдений и обобщаются имеющиеся данные: по современному карстопроявлению; по водоотли­вам при проходке и эксплуатации открытых и подземных выемок; по происшедшим обрушениям; по расходам и минерализации вод ручьев и рек, указывающих на поступление карстовых или на поглощение поверхностных вод. Основные этапы геологической истории развития карста в древние эпохи и в новейшее время в увязке с характером и интенсивностью тектонических движений — важный вопрос исследова­ний на данной стадии. Геофизическими работами выявляются области повышенной закарстованности и обосновываются места заложения раз­ведочных выработок и участков режимных наблюдений. Бурение сква­жин осуществляется в ограниченном объеме и обычно предназначает­ся для создания стационарной сети пьезометров в сочетании с родни­ками за изучением уровенного режима и химизма подземных вод на типичных полигонах.

Детальные инженерно-геологические исследования в карстовых районах являются целенаправленными, их виды, объемы и методы для городского, дорожного и гидротехнического (плотины, водохранилища, каналы) строительства должны быть различными. Обычно детальные исследования, в результате которых дается оценка современной за­карстованности территории и массивов пород и прогноз карстовых про­цессов, т. е. степени их опасности, проводятся в две стадии. На первой, на основании гидрогеологических и инженерно-геологических материа­лов, дается предварительная оценка устойчивости территории и ориен­тировочный прогноз карста для решения главных задач — технической возможности и экономической целесообразности намеченного строи­тельства или использования территории для обоснования комплекса принципиальных мер защиты и выбора безопасных конструкций соору­жений. Или из-за значительной закарстованности и интенсивности про­цессов обосновать отказ от намеченной территории и перенос объектов на другие, более устойчивые площади, менее опасные по последствиям.

На второй детальной стадии окончательного изучения карста в инженерно-геологических целях, предполагающей разработку проекта защиты основной задачей, является обоснование решений о конструк­циях новых сооружений, типе и глубине заложения их фундаментов на выбранных участках или о конкретных защитных мероприятиях для существующих объектов, например полотна желез­ной дороги или характера и глубины противо-фильтрационной завесы, дренажных систем и укрепительной цемента­ции в основании плотины. Одновременно уточняются задачи, места и виды режимных инструментальных наблюдений за гидрологическими, гидрогеологическими и иными факторами развития карста, за происхо­дящими в периоды строительства и эксплуатации внешне незаметными деформациями сооружений и пород в их основании.

При изучении закарстованности территории и массивов пород и процессов карстообразования наряду со специализированной геологи­ческой съемкой — ведущим методом работ на начальной и первой де­тальной стадиях изысканий, большее применение и значение приобре­тают различные опытные гидрогеологические и геофизические работы, режимные наблюдения, объемы которых совместно с бурением, воз­растают по мере увеличения детальности исследований. Существенна роль наблюдений за уровенным и химическим режимами поверхност­ных и подземных вод, за действием техногенных факторов, в первую очередь за откачками природных вод и за поступлением агрессивных технических вод в карстующийся массив для выявления гидродинами­ческих зон, интенсивности растворения пород и составления водного баланса.

Вопрос №51Суффозия

суффозия — это один из видов фильтрацион­ного разрушения обломочных пород или заполнителя' трещин и полостей в скальных и полускальных породах. Основными действующими силами, вызывающими развитие суффозии, являются либо большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает частицы, размывает породы, либо возникающее гидродинамическое давление в фильтрационном потоке. Если гидродинамическое давление велико, оно может при соответствующих условиях привести в движение всю массу породы, т. е. привести ее в плывунное состояние. Если оно мало, то в движение приходят только более мелкие частицы, находящиеся в составе породы.

Реализация действия фильтрационного потока подземных вод на породу, которое проявляется в нарушении ее фильтрационной устойчивости, в подземном размыве (в развитии суффозии) возможна при следующих условиях:

1. определенной неоднородности породы, при которой воз­можно передвижение более мелких частиц среди более крупных и их вынос;

2. определенных градиентах потока, вызывающих образование повышенных скоростей фильтрации воды или определенной вели­чины гидродинамического давления в породе;

3. наличии области выноса, разгрузки породы от мелких частиц, т. е. при выходе пород на поверхность, вскрытии их кот­лованами, выемками, карьерами, подземными выработками, дренажами или при соприкосновении — контактировании с породами более водопроницаемыми, скважность которых больше, способ­ными поглощать мелкие частицы, выносимые потоком из пород, подверженных размыву. Сочетание этих условий определяет нару­шение внутреннего равновесия в породе и неизбежность развития суффозии.

в зависимости от геологической обстановки суффозия может развиваться в определенном слое или толще неоднородных по гранулометрическому составу пород; 'на контакте двух слоев, различающихся по составу; в неоднород­ном по составу заполнителе трещин и карстовых полостей; на кон­такте породы с заполнителем фильтров, дренажей и других ис­кусственных присыпок и засыпок.

суффозия развивается преимущественно в породах, у которых коэффи­циент неоднородности гранулометрического состава больше 20, а гидравлический градиент больше 5. при оценке и прогнозе раз­вития этого процесса одни исследователи отдают предпочтение определению скоростей фильтрации потока — размывающих ско­ростей, другие — определению величины градиентов потока, в за­висимости от которых находится величина гидродинамического давления D_гд = 1у_в

Для определения начальной скорости потока (м/сек), при ко­торой начинается суффозия, нередко пользуются формулой : ν= /15

При наличии двух смежных слоев разного гранулометриче­ского состава скорость выноса частиц из слоя, сложенного более мелкозернистыми песками, определяется по формулам:v_p=v₀+f(d²/D²)

где v₀ — скорость потока, при которой преодолевается вес ча­стицы; d и D — средние диаметры частиц двух слоев.

скорость выноса частиц из размывающегося слоя зависит от соотношения контролирующих диаметров частиц двух смежных слоев и выражается формулой v_p=0,2d²₆₀(1+100 d²₆₀/D²₆₀) где d_6Q и .D₆₀ — контролирующий диаметр частиц, мм.

Терцаги, рассматривая фильтрационную устой­чивость песков, показал, что их разрушение восходящим фильт­рационным потоком возможно при градиенте:

Ip=(γ_M-1)(1-n) где γ_M - плотность минеральной части песка (удельный вес), г/см³; п — пористость песка, %. Для таких же условий фильтра­ционного потока фильтрационное разрушение неоднородных песчаных пород про­исходит при градиентах

Ip=(γ_M-1)(1-n)+0,5n.

чем больше неоднородность породы, тем при меньших градиентах начинается суффозия.

для обоснования _проектирования_ и строи­тельства различных сооружений при прогнозе развития_суффозии необходимо оценивать а)__неоднородность гранулометрического состава пород, вызывающих сомнение в их фильтрационной устой­чивости; б) возможные гидравлические условия фильтрацион­ного потока, его скорости и градиенты; в) наличие условий для выноса мелких частиц, т. е. условий для разгрузки размываемых пород от мелких частиц под воздействием фильтрационного по­тока. При этом необходимо обращать внимание на геоморфоло­гические условия выхода водоносных горизонтов на поверхность,вскрытия их котлованами, подземными выработками, дренажами и др.

Для предупреждения суффозии наиболее часто применяют такие меры, которые оказывают влияние на уменьшение градиен­тов и скоростей фильтрационного потока. Поэтому снижают уровни подземных вод дренажами в опасных участках; с целью уменьшения градиентов потока устраивают шпунтовые огражде­ния и противофильтрациоыные завесы для увеличения длины пути фильтрации потока или полного ограждения от него защищаемого участка. Для уменьшения выходных градиентов и скоростей подземного потока в зоне его разгрузки часто устраивают обратные фильтры, т. е. отсыпку водопроницаемых пород слоями в порядке постепенного возрастания размера частиц от мелких к крупным в направлении фильтрационного потока.