Мероприятия по противокарстовой защите

    Содержание

    Введение…………………………………………………….…………3

Влияние геоморфологических, тектонических и гидрогеологических    условий на развитие карста…………………………………………….5

Выявление особенностей морфологии карстовых полостей………..10

Мероприятия по протикарстовой защите……………………………13

Заключение…………………………………………………………….20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Высокая техногенная нагрузка на геологическую  среду в конце ХХ - начале ХХI вв. привела к активизации многих экзогенных процессов, в том числе и карста. Большинство объектов гражданского и промышленного назначения, построенных на закарстованных территориях в начале ХХ века и эксплуатируемых до наших дней, возводились без должного учета карстовых процессов. Многие закарстованные участки на территории района, считавшиеся ранее безопасными в отношении провалообразования, в настоящее время таковыми уже не являются.

    Карстовые провалы на территории промышленных объектов и в жилых кварталах  гг. Каменск-Уральского, Богдановича, Сухого Лога приводят к деформациям капитальных  сооружений и разрывам инженерных сетей.

    Наиболее  уязвимыми в отношении провалообразования являются линейные сооружения – автомобильные  и железные дороги, газо- и нефтепроводы. Если проектирование и строительство  гражданских и промышленных объектов на закарстованных территориях с применением элементов конструктивной защиты обеспечивают нормальную эксплуатацию сооружений и в случае провала могут предотвратить полное разрушение сооружения, то железные дороги в силу их значительной протяженности защитить практически невозможно.

    Железные  дороги в России являются основным пассажирским перевозчиком. Кроме того, по железным дорогам перемещается большое  количество грузов, в том числе  опасных (БОВ, радиоактивные вещества, нефтепродукты), которые в случае схода состава могут привести к экологической катастрофе. Карстовые деформации неоднократно приводили к нарушению нормальной эксплуатации Свердловской железной дороги на Каменск-Уральской и Баженовской дистанциях пути (провалы в 1975, 1977, 1998, 2000, 2001 гг.).  

    Многочисленные  исследования, проводимые на Восточном склоне Среднего Урала с XIX века, были посвящены изучению стратиграфии, геологического и гидрогеологического строения, тектонических условий, поискам полезных ископаемых. Исследования карста сводились в основном к описанию карстовых форм и пещер.

    Инженерно-геологические  исследования карста проводились проектными и изыскательскими организациями  на отдельных объектах. Ни в одной  из работ не содержится обобщающих материалов по выявлению закономерностей  и особенностей развития карста.

По работам  Н.И. Архангельского (1941, 1968 гг.), И.И. Горского (1931 г.), А.А. Пронина (1960, 1965, 1981 гг.),   А.П. Сигова (1968, 1984 гг.) и др. детально рассмотрены история геологического развития региона, тектоника и эпохи развития карста.

    Наличие толщ растворимых карбонатных пород, перекрытых чехлом песчано-глинистых  отложений, мощность которого составляет в среднем 10,0-20,0 м, является первым региональным условием развития карста и предопределяет возможность его широкого развития в пределах Сухоложско-Каменского района.

    Сложное тектоническое строение, раздробленность  и трещиноватость пород способствовали проникновению поверхностных вод  на значительные глубины и интенсивному развитию карста в прошлые геологические  эпохи. Самыми активными эпохами развития карста по масштабности проявления являются триасовая и юрско-меловая. С ними связано формирование наиболее крупных закарстованных зон, на которые происходило наложение карста в последующие эпохи. К концу кайнозоя образовавшиеся ранее карстовые полости были заполнены продуктами химических кор выветривания. Оживление карстовых процессов в конце кайнозоя связано с понижением базиса эрозии.

    Обводненность массивов карбонатных пород, выровненный  характер рельефа на междуречьях, препятствующий быстрому стеканию талых и дождевых вод в поверхностные водотоки и способствующий на отдельных участках полной трансформации поверхностного стока в подземный, обусловливают возможность развития карста. Расположение карбонатных пород в виде полос меридионального простирания при общем широтном направлении потока подземных и поверхностных вод способствует перехвату и аккумуляции поверхностного и подземного стока, поступающего с запада с площадей развития терригенных пород.

    Таким образом, в Сухоложско-Каменском районе интенсивное развитие карста в определенные климатически благоприятные эпохи и, как следствие, широкое распространение и разнообразие поверхностных (таких, как воронки, провалы, лога) и подземных (пещеры, погребенные полья и палеокарстовые останцы и гребни, полостями и расширенные карстом трещины) карстовых форм. Ведущей формой поверхностного карста в карстовом районе является карстовая воронка.

    Широкое распространение растворимых горных пород и наличие в них древних  проявлений карста и современных  провалов обусловливают необходимость выявления закономерностей развития карта на детальном уровне.

Влияние геоморфологических, тектонических и  гидрогеологических условий на развитие карста.

  Обоснован выбор участков детальных исследований карста в пределах Сухоложско-Каменского.

    При общих региональных условиях формирования карста на Каменск-Уральском и Богдановичском участках выявлены некоторые характерные  особенности развития карста и провалообразования.

    На  Каменск-Уральском участке наличие  растворимых пород, тектоническая нарушенность массива, 30-35 м зона вертикальной циркуляции при близком расположении дрены обусловливают возможность активного развития карста. Маломощный чехол покровных отложений, а на некоторых участках полное его отсутствие, и равнинный характер рельефа способствуют полному поглощению поверхностного стока. Высокие градиенты фильтрации в речной долине определяют возможность размыва древнего заполнителя карстовых полостей, вынос в образовавшиеся пустоты рыхлых покровных отложений и формирование на земной поверхности воронок и провалов.

    На  основе анализа морфометрических показателей  карстовых воронок на Каменск-Уральском  участке установлено, что воронки имеют преимущественно округлую или овальную форму, чашеобразное или блюдцеобразное сечение. По размерам карстовые воронки делятся на две группы: 1) диаметр до 8,0 м; 2) диаметр 9,0-18,6 м. К первой группе относится 91% всех выявленных карстовых воронок, ко второй - 9%. Распределение диаметров, глубин, объемов воронок первой группы подчиняется логнормальному закону (рис.1).

объему  и отношению глубины к диаметру на Каменск-Уральском участке  

    На  графиках распределения видно, что  выделяется особая группа карстовых  воронок, глубина которых находится  в интервале 1,49-1,69 м и отношение  диаметра к глубине 0,45-0,52. Это свежие провальные воронки, образование которых обусловлено техногенными факторами.

    Геологическое строение Богдановичского участка  благоприятствовало активному развитию карста в прошлые геологические  эпохи. В настоящее время образовавшиеся ранее карстовые полости заполнены  плотным глинистым или песчано-глинистым материалом. Зона вертикальной циркуляции составляет 2,0-3,0 м, что не способствует размыву древнего заполнителя, формированию открытых полостей и образованию воронок и провалов на земной поверхности.

    В настоящее время на Каменск-Уральском участке сохраняются благоприятные геологические и гидрогеологические условия для развития карста и провалоообразования. На Богдановичском участке геологических предпосылок для развития провалообразования не выявлено.

    Общей чертой, характерной для всего Сухоложско-Каменского карстового района, является то, что наибольшая плотность поверхностных карстовых форм отмечается в долинах рек, в тектонически ослабленных зонах, на контактах карбонатной и терригенной толщ. Аномальное увеличение плотности провальных карстовых форм на отдельных участках обусловлено влиянием техногенных факторов. Нарушение  гидродинамических условий приводит к увеличению скорости размыва древнего заполнителя карстовых полостей и соответственно возрастанию количества воронок, в том числе провальных.

    В пределах Каменск-Уральского участка  толща карстующихся пород представлена двумя разновидностями нижнекаменноугольных известняков - массивными темно-серыми известняками с неявно выраженной брекчиевидной текстурой, хорошо заметной только на выветрелых поверхностях, и известняковыми брекчиями, состоящими из остроугольных и слабоокатанных обломков, хаотически расположенных в известняковой массе. Цемент представлен карбонатной, песчано-карбонатной массой, на некоторых участках - песчано-мелкообломочной массой тех же известняков. Количество цемента составляет в среднем 20-30 %.

    Граница между выделенными разновидностями  хорошо прослеживается и в геоморфологическом плане, и в строении разреза. Наиболее закарстованными являются известняковые брекчии, в силу неоднородности сложения больше подверженные процессу разрушения. Для них характерно и большее количество полостей, и большие их размеры, чем для массивных известняков (табл. 1). Эта закономерность подтверждается тем фактом, что в Каменском районе большая часть железорудных месторождений, залегающих в древних карстовых впадинах, приурочена именно к площадям развития известняковых брекчий.

      Таблица 1

    Установлено, что в Богдановичском районе развитие карстовых полостей происходит по контактам разнообразных в литолого-петрографическом плане пластов известняков. Количественно обосновать влияние литологического фактора в условиях слоистой толщи на сегодняшний день не представляется возможным. В Каменском районе наиболее закарстованными в силу неоднородности сложения являются известняковые брекчии.  
 
 

      Выявление особенностей морфологии карстовых полостей.  

    Для оценки пустотного пространства и прогноза провалообразования на участках детальных исследований изучены трещиноватость, проведена типизация геологических разрезов, изучена морфология карстовых полостей, степень эрозионного расчленения массивов. При обработке полученных материалов применялись дешифрирование, сравнительный анализ, графические методы, статистические методы, корреляционный анализ.

    Изучение  трещиноватости карбонатных массивов в Каменск-Уральском районе проводилось  в долине р. Каменки в естественных обнажениях и в Синарском известковом карьере. Массовый замер элементов трещиноватости известняков показал, что в массиве известняков преобладают две перпендикулярные системы трещин северо-западного (240-360^°) и северо-восточного (0-120^°) направлений с преобладающими углами падения 70-90^° – 57 % и 50-70^° – 21 % (рис. 2).  

Рис.2. Розы-диаграммы трещиноватости

      (Каменск-Уральский участок)                   (Богдановичский участок)  

    В Богдановичском районе широко развиты  тектонические нарушения в виде зон интенсивной трещиноватости. Для верхних частей разреза характерны трещины кливажа, трещины напластования  и трещины отпора. Основное направление трещин – меридиональное (рис. 2.).

    Выявление особенностей распределения карстовых  полостей в массиве карбонатных  пород проведено с помощью  типизации геологических условий. На основе стратиграфического принципа в пределах Каменск-Уральского участка детальных исследований выделено 3 основных типа геологического разреза, соответствующих системам общей стратиграфической шкалы (рис. 3). Рассматривая распределение типов геологического разреза по площади исследуемого участка, следует отметить, что по мере удаления от долины р. Каменки наблюдается постепенное замещение I типа на II, а затем на III тип разреза.  

Рис. 3. Типы геологического разреза на Каменск-Уральском участке 
 

    В массиве карбонатных пород Каменск-Уральского участка выявлены следующие виды подземных карстовых форм: разрушенные зоны в кровле и в толще известняков, погребенные карстовые воронки, заполненные, частично заполненные и незаполненные трещины и полости, трещиноватые зоны, промежуточные полости в покровных отложениях, карстовые ниши (рис. 4). В массиве карбонатных пород основная часть нарушений относится к видам «б» и «д».

    Рис. 4. Основные виды подземных карстовых  форм

на  Каменск-Уральском участке:

а – трещиноватые зоны; б – погребенная карстовая воронка;                    в₁ – трещина не заполненная; в₂ – трещина заполненная; г – разрушенная зона в массиве известняков; д₁ – карстовая полость заполненная;            д₂ – карстовая полость частично заполненная; д₃ – карстовая полость незаполненная, е – карстовая ниша; ж – промежуточная полость в покровных отложениях 

    На  основе стратиграфического принципа в  пределах Богдановичского участка  выделен один основной тип геологического разреза, соответствующий II типу разреза Каменск-Уральского участка. В массиве карбонатных пород Богдановичского участка выявлены следующие виды подземных карстовых форм: разрушенные зоны в кровле и в толще известняков, развивающиеся преимущественно по напластованию пород, погребенные карстовые воронки, незаполненные и заполненные трещины, трещиноватые зоны, промежуточные полости в покровных отложениях (рис. 5). Основная часть нарушений представлена видами «а», «б₁» и «б₂».

Рис. 5. Основные виды подземных карстовых форм

на Богдановичском участке 

а – погребенная карстовая воронка; б₁ – разрушенная зона в массиве известняков; б₂ – карстовая полость заполненная;      б₃ – карстовая полость незаполненная; в – промежуточная полость в покровных отложениях 

    Большинство карстовых полостей, имеющих клиновидную, раскрывающуюся в кровлю карстующихся пород форму, приурочено к верхней части массива известняков до глубины 10,0 м и при активизации суффозионно-карстового процесса представляет угрозу для устойчивости инженерных сооружений.  
 
 
 
 
 
 

    Мероприятия по противокарстовой защите (СНИП)

1. Противокарстовые  мероприятия следует предусматривать при проектировании зданий и сооружений на территориях, в геологическом строении которых присутствуют растворимые горные породы (известняки, доломиты, мел, обломочные грунты с карбонатным цементом, гипсы, ангидриды, каменная соль), имеются карстовые проявления на поверхности (карры, поноры, воронки, котловины, полья, долины) и (или) в глубине грунтового массива (разуплотнения грунтов, полости, каналы, галереи, пещеры, воклюзы).

2. При  отсутствии карстовых проявлений  на поверхности и в толще  грунтов, отделенных от зоны карста слоем прочных горных пород и надежным водоупором, препятствующими влиянию возможных обрушений пород в подземных полостях на покровную толщу и выносу из нее грунтов, территория    может    рассматриваться    как карстово-неопасная для зданий и сооружений и проекты ее застройки следует выполнять как для некарстовых районов.

Примечание. Надежным водоупором считается непрерывный слой горных пород с коэффициентом фильтрации не болев 0,001 м/сут и толщиной не менее 1/5 действующего на него напора, но не менее 5 м.

3. В  материалах изысканий должно  быть описание карстовых проявлений и характера угрожающей опасности, динамики их развития.

4. Противокарстовые  мероприятия должны:

предотвращать активизацию, а при необходимости и снижать активность карстовых и карстово-суффозионных процессов;

исключать или уменьшать в необходимой  степени карстовые и карстово-суффозионные деформации грунтовых толщ, или, наоборот, способствовать стабилизации условий строительства ускорением карстовых деформаций;

предотвращать повышенную фильтрацию и прорывы воды из карстовых полостей в подземные помещения и горные выработки:

обеспечивать возможность нормальной эксплуатации территорий, зданий, сооружений, подземных помещений и горных выработок при допущенных карстовых проявлениях.

5. Противокарстовые  мероприятия следует выбирать в зависимости от характера выявленных и прогнозируемых карстовых проявлений, вида карстующихся пород, условий их залегания и требований, определяемых особенностями проектируемой защиты и защищаемых сооружений, предприятий, территорий с учетом СНиП 2.02.01-83.

6. В  качестве основных противокарстовых  мероприятий при проектировании зданий и сооружений следует предусматривать:

устройство  оснований зданий и сооружений ниже зоны опасных карстовых проявлений;

заполнение  карстовых полостей;

искусственное ускорение формирования карстовых проявлений;

создание искусственного водоупора и противофильтрационных завес;

закрепление и уплотнение грунтов;

водопонижение и регулирование режима подземных вод;

организацию поверхностного стока;

применение  конструкций зданий и сооружений и их фундаментов, рассчитанных на сохранение целостности и устойчивости при возможных деформациях основания.

При проектировании горных предприятий следует также предусматривать бурение контрольных разведочных скважин, опережающих разработку пород, и при необходимости тампонаж, а при проходке горных выработок – также замораживание горных пород.

7. Опирание  фундаментов на прочные грунты, залегающие ниже зоны опасных карстовых проявлений, следует предусматривать в случаях, когда эта зона достаточно разведана и имеются необходимые средства для глубокого заложения фундаментов.

Допускается прорезать фундаментами не всю толщу  карстующихся пород при условии:

отсутствия  угрозы обрушения (провала) грунтов основания фундаментов (наличие достаточно мощного целика прочных пород над нижележащим горизонтом карста);

осуществления  контролируемого заполнения полостей и трещин толщи скальных пород на необходимую глубину непосредственно под фундаментом (сваей, столбом) или (когда это требуется по условиям передачи нагрузки на основание) под всем сооружением.

8. Заполнение  подземных пустот при основании сооружений на нескальных грунтах, покрывающих карстующиеся породы, допускается предусматривать в верхней части карстовой зоны с расчетом на образование достаточно мощного целика прочных пород, предохраняющих покровную толщу от влияния на нее возможных деформаций в нижележащей (не заполняемой) зоне карста.

Поиск, заполнение и контроль эффективности  заполнения карстовых пустот целесообразно  выполнять одной специализированной организацией или совместно с п 
роектно-изыскательской и производственной организациями.

При контроле эффективности производственного заполнения пустот должны быть использованы методы, применявшиеся при их поиске.

9. Ускорение  формирования карстовых проявлений, например, взрывание пород в полостях для предотвращения их внезапного обрушения, применение агрессивных растворов для повышения при необходимости водоотдачи и водопроводимости горных пород, а также для добычи полезных ископаемых должно ограничиваться решением частных задач и сопровождаться определенным восполнением ущерба, причиняемого окружающей среде.

10. Создание  искусственного водоупора путем  инъекции цементных, глинистых,  глиноцементных и смоляных растворов  в трещиноватые скальные породы  или с помощью струйной цементации, химического и электрохимического закреплений нескальных грунтов допускается предусматривать для предотвращения выноса нескальных грунтов в трещины и полости подстилающих карстующихся пород, если они не прикрыты сплошным природным водоупором.

Сплошность  водоупора должна быть обеспечена в пределах расчетных границ сдвижения горных пород под сооружением.

11. При  отсутствии или недостаточности  водоупора, прикрывающего закарстовые породы, и затруднениях по устройству искусственного водоупора следует предусматривать меры по недопущению значительного снижения напора подземных вод в карстовой зоне по сравнению с напором в покровной толще. Для исключения повышения скорости воды в карстующихся породах следует, как правило, избегать забора воды из них. При необходимости забора воды из карстовой зоны и понижения уровня подземных вод в ней необходимо проектировать соответствующее (в зависимости от наличия и противофильтрационной устойчивости разделяющего слоя) водопонижение и в покровной толще (с водозабором из нее), а также водозащитные мероприятия (герметичность водонесущих коммуникаций, асфальтирование территории и организация поверхностного стока) .

Роль  водозащитных мероприятий особенно возрастает в условиях неводоносной покровной толщи. 

12. Для  уменьшения питания и, соответственно, водообмена и водообильности карстующихся пород водами из интенсивных источников (например, из поверхностных водоемов, водотоков и др.) следует проектировать экранирование водотоков и водоемов и противофильтрационные завесы (тампонаж горных пород), осуществляемые инъекционными методами (см. п. 5.10) .

В случае обнаружения при изысканиях разуплотненных грунтов в пределах сжимаемой  толщи основания сооружения, в  проекте следует предусматривать прорезающие их свайные фундаменты, виброуплотнение, буроинъекционные сваи.

13.Если предусмотренные мероприятия не устраняют полностью возможность деформаций грунтов оснований сооружений, то следует проектировать фундаменты (как правило, из монолитного железобетона) и конструкции сооружений, рассчитанные на восприятие усилий, возникающих при ожидаемых деформациях оснований, предусматривать эксплуатируемые подземные помещения и возможность выполнения из них инъекционных работ для восстановления оснований фундаментов при образовании под ними воронок, провалов, проседаний грунтов.

В необходимых  случаях в проектах противокарстовой защиты следует предусматривать  организацию службы наблюдения за деформациями сооружений, их оснований и развитием карстовых процессов, с соответствующей производственной базой для проведения противокарстовых мероприятий и ремонтов сооружений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

 Сложное  геологическое и тектоническое  строение и геологическая история  развития Сухоложско-Каменского  карстового района (наличие толщ растворимых карбонатных пород, интенсивная тектоническая нарушенность массивов, значительные колебания базиса эрозии) обусловили интенсивное развитие карста в прошлые геологические эпохи и, как следствие, широкое распространение и разнообразие поверхностных (таких, как воронки, провалы, лога) и подземных (пещеры, погребенные полья и палеокарстовые останцы и гребни, полости и расширенные карстом трещины) карстовых форм.

 Закономерности  распределения поверхностных карстовых  форм обусловлены, прежде всего, гидродинамическими условиями. Наибольшая плотность поверхностных карстовых форм наблюдается: 1) в долинах глубоко врезанных рек Кунары и Каменки в связи с увеличением градиента вертикальной фильтрации, скорости движения воды и ее разрушающего воздействия на заполнитель полостей; 2) на контактах карбонатных отложений и терригенных толщ; 3) в зонах тектонических нарушений, характеризующихся сильной трещиноватостью и усиленной циркуляцией подземных вод.

    Аномальное  увеличение плотности провальных карстовых форм  наблюдается в зонах техногенного воздействия: 1) в зоне влияния депрессионной воронки Богдановичского месторождения подземных вод;     2) в зонах комплексного техногенного влияния (утечки водонесущих коммуникаций, сосредоточенная инфильтрация, подпор поверхностного стока, динамические и статические  нагрузки).