Процессы, связанные с присутствием, движением и воздействием подземных вод

К данной группе процессов относятся карст, суффозия и плывуны.

Карст и суффозия

Карст (химическая суффозия) – процесс растворения и выщелачиваниянекоторых скальных пород подземными водами.

Термины растворение и выщелачивание широко используются в геологической литературе и являются почти синонимами с той лишь разницей, что под выщеличиванием чаще всего понимают более медленное и неполное растворение.

Процессом карста могут быть охвачены карбонатные, сульфатные и галоидные породы, которые принято называть растворимыми. Напомним, что карбонатные породы состоя из минералов кальцита и доломита, часто с примесями, это – известняки, доломиты, мрамор, мел, мергель.

Сульфаты состоят из минералов гипса и ангидрита, а породы, состоящие из этих минералов, носят такие же названия – гипс и ангидрит. Галоиды состоят в основном из минерала галита – это порода каменная соль.

Наиболее распространенными из этих пород в земной коре, в том числе и на территории России, являются карбонаты, менее их распространены сульфаты, галоидов еще меньше.

По скорости растворения эти породы распределяются так: быстрее всего растворяется каменная соль, медленнее сульфаты и еще медленнее – карбонаты. С точки зрения химии из всех названных минералов к растворимым относится только минерал галит (NaCl), минералы гипс (CaSO4∙2H2O) и ангидрит (CaSO₄) являются малорастворимыми, а минералы кальцит (CaCO₃) и доломит ((Ca,Mg)CO₃) вообще нерастворимыми. Данные химические соединения способны растворяться только пресной водой, так как продукты растворения – ионы Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, CO₃^2- и HCO₃^-, способны содержаться в воде только в очень незначительных количествах.

В природе решающим фактором, определяющим растворимость сульфатов и карбонатов, является время. Геологическая история насчитывает много миллионов лет и этого времени оказывается достаточно для постепенного выщелачивания пород этих химических классов. Кроме того, для развития карстового процесса необходимо, чтобы порода изначально обладала некоторой проницаемостью, и по ней происходило движение пресных подземных вод, выносящих продукты растворения.

Имеющиеся в породе трещины постепенно увеличиваются в размерах, порода постепенно становится сначала пористой, потом крупнопористой и кавернозной, в ней могут появляться пещеры и целые подземные залы.

Распространенность карстового процесса в природе соответствует распространенности растворимых пород – наиболее распространен карбонатный карст, менее сульфатный, реже всего в галоидных породах. Внутри отдельно рассматриваемого пласта наиболее сильно закарстованные участки наблюдаются в местах наиболее интенсивного движения подземных вод, то есть вблизи мест современного или древнего погребенного эрозионного вреза – по берегам рек, склонам гор, морских побережий и т.п.

Следует иметь ввиду, что древняя эрозионная сеть предыдущих геологических периодов отчасти совпадает, а отчасти отличается от современной. Из этого следует, что в растворимых породах сильно закарстованные зоны могут находиться не только по современным берегам рек, но также встречаться в пределах современных водоразделов, там, где ранее располагались долины рек, целиком заполненные сейчас более поздними отложениями.

За прошедшее время геологической истории в отдельных местах создавались условия, и происходил процесс заполнения карстовых пустот песчано-глинистым материалом. Такие участки принято называть залеченным или погребенным карстом.

Оживлением карста или современным карстом называют обратный процесс, когда происходит вымывание и удаление материала, заполняющего карстовые пустоты. Оживление карста возможно за счет увеличения скорости движения подземных вод, вызванного работой гидротехнических сооружений или водозаборных скважин.

Теми же терминами «современный карст» или «оживление карста» называют также процессы растворения пород, интенсивно происходящие и в настоящее время. Реально можно говорить только о современном карсте в сульфатных и галоидных породах, так как для растворения карбонатов требуется значительно больше времени.

Пласты закарстованных горных пород обычно представляют собой водоносные горизонты с хорошей водопроницаемостью, водообильностью и водопритоками к скважинам. Пресные карстовые воды как правило отличаются повышенной жесткостью – повышенным содержанием ионов Ca²⁺ и Mg²⁺.

На поверхности земли присутствие в разрезе карстовых пустот обычно никак не заметно и проявляется редко. Проявления карста на поверхности земли представляют собой повалы и воронки, глубиной в несколько метров, получающиеся за счет обрушения свода над крупными карстовыми пустотами, перекрытыми сверху рыхлыми отложениями небольшой мощности (рис. 2.17).

Рис. 2.17.Схема карстового провала в известняках

Пример 1. На территории города Москвы закарстованные известняки среднего карбона залегают в различных местах на глубинах от нескольких метров до первых десятков метров.

Карстовые провалы в Москве случались в районе станции метро «Полежаевская» и Хорошевского шоссе. На поверхности земли при этом образовывались воронки глубиной 1-2 метра и диаметров в несколько метров. К счастью все провалы произошли на территории дорог и газонов, ни разу не повредив капитальные сооружения.

Наличие карстового основания всегда приносит дополнительные сложности в инженерно-геологические условия строительства. Какие сложности создает карст? Наиболее вероятны два случая.

· карстовое основание может дать провалы и осадки, превышающие допустимые;

· повышенная проницаемость закарстованных пород может привести к значительным фильтрационным потерям из водохранилищ за счет фильтрации под основанием и в обход боковых примыканий плотины, при этом возможно оживление погребенного карста.

Известно много других случаев усложнения условий разных видов хозяйственной деятельности, связанных с карстом, приводивших к увеличению затрат времени и средств.

Во всех ситуациях наиболее распространенным методом предотвращения отрицательного влияния карста является цементация карстовых пустот. Цементация выполняется жидким цементным раствором, который закачивается через скважины в закарстованную породу на необходимую глубину. Аналогичным образом выполняются глинизация, силикатизация и битумизация, производимые реже с теми же целями – для укрепления и уменьшения проницаемости карстовой толщи.

Пример 2. В 1947 году праздновалось 800-летие Москвы. По этому поводу было принято решение построить в Москве восемь высотных зданий (сейчас их называют сталинскими высотками). Семь из них было благополучно построено.

Восьмое здание должно было располагаться близ Кремля на берегу Москвы-реки. В котловане были вскрыты сильно закарстованные известняки среднего карбона. На их цементацию было истрачено несколько лет, за это время сменилось политическое руководство страны и в середине 1950-х годов работы прекратили.

Позднее в 1960-х годах здесь был выстроен корпус гостиницы «Россия», снесенный в середине 2000-х годов. В настоящее время эта площадка вновь застраивается. О занятии места восьмой высотки заявили авторы проекта Триумф-Паласа – высотного здания, выстроенного на Соколе в конце 1990-х. Пример показывает, что присутствие карста удлиняет сроки строительства, но в целом успешное освоение территорий на закарстованных карбонатных породах вполне возможно.

Строительство в условиях сульфатного карста намного сложнее из-за опасности развития современного процесса, требует тщательных изысканий и неукоснительного соблюдения правил проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

Очень сложными в инженерно-геологическом отношении считаются условия некоторых населенных пунктов Приуралья, выстроенных на площадях распространения сульфатных пород.

Суффозия. Различают два вида суффозии – химическую и механическую. Под химической суффозией обычно понимают карст, а под механической – процесс механического выноса частиц грунта подземными водами. Карстовый процесс рассматривается отдельно, поэтому далее механическая суффозия будет именоваться просто суффозией.

Процессу суффозии обычно подвержены пески, но в отдельных случаях суффозия отмечается в лессах и даже в выветрелых глинах.

Суффозионный процесс заключается в том, что у подножья высокого крутого склона могут формироваться большие уклоны уровня грунтовых вод, оказывающие взвешивающее влияние на частицы грунта.

При условии интенсивного движения подземных вод отдельные мелкие частицы песка увлекаются потоком воды и выносятся на поверхность (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Схема суффозионного процесса в естественных условиях

Процесс суффозии, развивающийся по такой схеме, может останавливаться или ускоряться в искусственных условиях при резких колебаниях уровня воды в реке или водохранилище, достигающих места суффозионного выноса материала.

В целом в естественных природных условиях суффозия является довольно редким явлением и сложностей для инженерной деятельности людей не создает.

При инженерном освоении территорий, особенно в условиях расчлененного рельефа, с различными целями обычно выполняется ряд мероприятий, исключающий также и вероятность развития суффозионного процесса - снижение уровня грунтовых вод, выполаживание и дополнительная отсыпка хорошо фильтрующего материала у подножья склона.

Вероятность возникновения суффозионного процесса велика только в искусственных условиях под основаниями плотин в нижнем бьефе водохранилища (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Схема суффозии в нижнем бьефе водохранилища

Большой гидростатический напор здесь обусловлен перепадом высот уровней воды и восходящим потоком подземных вод в нижнем бьефе.

Вынос частиц грунта здесь может привести к значительным неравномерным осадкам, поэтому для предотвращения здесь суффозии применяются различные мероприятия – в основном устройство противофильтрационных завес и понуров.

Плывуны

Плывуны – это водонасыщенные мело- и тонкозернистые пески с примесью глинистого и органического материала, а также супеси, способные мгновенно приходить в текучее состояние.

Плывуны принято делить на ложные и истинные. Ложные плывуны поддаются осушению путем откачки воды скважинами, иглофильтрами или иными способами.

Из истинных плывунов вода практически не удаляется благодаря мелким размерам частиц, а также присутствию глинистого и органического материала, закрывающему промежутки между песчинками.

На территории Московского региона плывуны встречаются в составе аллювиальных, озерных, озерно-ледниковых и других отложений. При изысканиях они обычно бывают зафиксированы. Мощность пластов может составлять до нескольких метров.

Плывунный грунт может залегать на некоторой глубине среди других пород, сверху может находиться городская застройка, и при этом он никакой опасности не представляет.

Плывунные свойства грунтов могут проявляться только при вскрытии их тоннелем, котлованом, подрезке склона и т.п. В спокойных условиях грунт-плывун способен удерживать крутую стенку и своих особенных свойств не проявляет.

Причиной перехода грунта в текучее состояние обычно является сотрясение, вызванное работой строительной техники или сходными причинами. В этом случае плывун мгновенно разжижается, приходит в текучее состояние и растекается по дну выработки, заполняя ее нижнюю часть (рис.2.20а и 2.20б).

Затопленной может оказаться техника, инструмент, электрические кабели, трубопроводы и невысокие конструкции нулевого цикла. Известны случаи гибели людей при прорыве плывунов. Человек не способен быстро двигаться, если уровень плывуна поднялся выше уровня колен. Прорыв плывуна всегда считается серьезной аварией и ликвидация ее последствий всегда требует много затрат, усилий и времени.

а)

б)

Рис. 2.20.Схема прорыва плывуна в строительные выработки:

а) – в котлован; б) – в туннель

Пример 1. В начале 1950-х годов одновременно строились второй выход со станции метро «Красные Ворота» и высотное здание. Выход должен был находиться внутри этого здания.

При строительстве эскалаторного тоннеля произошел прорыв плывуна в выработку тоннеля. С прорывом быстро справились, эскалатор, выход со станции и высотное здание были построены.

Спустя несколько лет после окончания строительства в стене находящейся над эскалатором со двора здания появились трещины. Трещины появляются до настоящего времени, их заделывают. Пример показывает, что прорыв плывуна приводит к некоторому разуплотнению геологической среды, находящейся выше места прорыва и ее полное доуплотнение происходит довольно долго.

Меры борьбы с плывунами. Плывуны, просто залегающие ниже поверхности земли и не вскрытые подземными выработками, опасности не представляют. В том случае, когда на данном месте предполагаются строительные работы, сопряженные с проходкой слоя, обладающего плывунными свойствами, требуется выполнение соответствующих превентивных мер.

Наиболее эффективный и распространенный метод – забивка в грунт металлических балок с последующим устройством по ним шпунтовой затяжки из досок, огораживающей стенки котлована (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Схема защиты котлована от прорыва плывуна при помощи шпунтового ограждения

Получающаяся конструкция очень удобна и надежна в условиях стесненных стройплощадок в городе. В сложных условиях, когда устройство шпунтового ограждения невозможно, применяется замораживание грунтов – трудоемкий метод с использованием специального оборудования и требующий продолжительного времени.