Противокарстовая и береговая защита

  • автор:

Карстоопасность и методы ее оценки

Карстоопасность – угроза (возможность) негативного воздействия карстопроявлений на человека и закарстованные территории (компоненты геологической среды, здания и сооружения) при их освоении и эксплуатации; определяется, как правило, интенсивностью и параметрами карстовых деформаций, оценивается (как и риск) возможным социальным, экономическим и экологическим ущербом.

Карстоопасность — определенное сочетание природных и (или) природно-техногенных условий и факторов развития, карстовых и сопутствующих процессов, способное вызвать динамические явления в основаниях инженерных сооружений на поверхности или внутри карстового массива, в результате которых могут возникнуть аварии, катастрофы или экологические бедствия (Катаев, 2001).

Карстоопасность территории оценивается на основе ее комплексного изучения с использованием различных методов (инженерно-геологических, геофизических, гидрогеологических, геоморфологических и др.), включающих качественные и количественные характеристики.

В современной карстологии известно свыше 150 показателей, характеризующих карстоопасность через параметры карстового процесса и созданные им формы (Pulina, 1982; Максимович, 1963; Родионов, 1963; Дублянский и др., 1990; Саваренский, Миронов 1995; и др.). Для оценки интенсивности и экстенсивности карстового процесса чаще других используются 15 показателей, приведенных в таблице 1. Эти и другие показатели можно подразделить на четыре группы.

Первая группа показателей характеризует геометрические размеры карстопроявлений (протяженность, длина, глубина, площадь, объем), их отношения (удельный объем, коэффициент вертикальности и пр.), расстояние друг от друга (радиус удаленности), плотность распределения. Они служат для характеристики и сравнения поверхностных и подземных форм по морфологии, характеристики пораженности поверхности, и используются в инженерно-геологических расчетах и прогнозах (Толмачев и др. 1986).

Вторая группа показателей объединяет коэффициенты, представляющие отношения длин, площадей, объемов карстопроявлений или их сумм к аналогичным параметрам карстового массива. Они используются как сравнительные, а иногда включаются в инженерно-геологические расчеты.

Третья группа показателей оценивает интенсивность процесса через годовой прирост количества или объема карстовых форм. Эти показатели широко используются при инженерно-геологических оценках, но не являются универсальными. Они учитывают частоту проявления и размеры лишь одного вида карстопроявлений (например, провалов) из всего многообразия.
Таблица 1 — Показатели, используемые при инженерно-геологической оценке карста

*Примечание — DC — разность начальной и конечной минерализации на расчетном участке, мг/л; M — модуль стока, л/с·км2; L, S, V — длина, м; площадь, м2; объем, м3 расчетного участка (интервала); Nf, Lf, Sf, Vf — число, шт.; длина, м; площадь, м2; объем, м3 карстовых полостей или сумма этих показателей; t — время, годы
Четвертая группа показателей использует гидрохимические данные (равновесные и текущие концентрации, параметры диффузионного переноса и кинетики растворения, дефицит насыщения и пр.). Для их получения необходимо проведение трудоемких исследований на моделях и выполнение довольно сложных расчетов, а способы и критерии применения результатов для непосредственных прогнозов и оценок опасности и рисков остаются весьма неопределенными.

При оценке карстоопасности через активность карстового процесса используется показатель активности и карстовая денудация (характеризует интенсивность). Карстоопасность иногда оценивают через плотность и густоту карстовых форм (характеризуют экстенсивность), однако эти параметры характеризуют карстопораженность, а не опасность.

Показатель активности (процент за 1000 лет) может меняться на 6 порядков (от менее 0,0001 до более 10; (Максимович, 1963)). Для карбонатного карста Украины он составляет в среднем 0,02, для сульфатного — 0,14, для соляного — 0,28 % (Дублянский, Дублянская, 1992). При техногенной активизации сульфатно-карбонатного карста возрастает до 7,2 %. Этот показатель следует использовать осторожно, так как он, определяясь по сегодняшним эмпирическим данным (не всегда представительным), рассчитывается за 1000 лет; его величина зависит от мощности карстующихся пород, что делает плохо сопоставимыми данные даже по карстовым районам, находящимся в одних физико-географических условиях; его использование иногда приводит к ложному выводу о том, что при развитии карста горный массив может быть уничтожен полностью за очень короткое геологическое время (при А = 0,1 % — всего за 1 млн. лет).

Плотность карстовых форм (штук на км2 или штук на 1000 км2) используется при сравнительной характеристике карстовых регионов. В методических указаниях ВСЕГИНГЕО к составлению карты распространения экзогенных геологических процессов масштаба 1:200000 по нему рекомендовалось оценивать карстопораженность (в градациях: 1-10 — слабая, 11-30 — средняя, более 30 — сильная). Карта пораженности территории Крыма карстовыми воронками, выполненная по этой методике, представлена на рисунке 1. Несмотря на широкое использование, этот показатель обладает двумя существенными недостатками: он учитывает только ярко выраженные поверхностные карстопроявления (воронки, провалы); плотность форм является функцией их размеров (на 1 км2 могут располагаться 5 крупных или 500 мелких воронок, что отнюдь не означает, что активность карста во втором случае в 100 раз больше, чем в первом).

Рисунок 1 — Карстопораженность и карстоопасность Крыма (Атлас…, 2003)

Густота карстовых каналов (км/км2) зависит от изученности карстовых полостей (каналов) района и их особенностей. Для каналов, развивающихся в безнапорных условиях и имеющих линейную или древовидную структуру, характерна невысокая густота (10-25 км/км2). Каналовые системы артезианского формирования с лабиринтовой структурой образуют поля высокой закарстованности, с показателем густоты на порядок выше (в среднем 167 км/км2; (Климчук, 2008)).

Карстовая денудация (мкм/год) является чутким индикатором изменений условий развития карста в разных климатических и высотных зонах. Например, в Крыму она меняется от 10 до 60 мкм/год, что позволяет провести его детальное районирование (рис. 2; (Дублянский и др., 1990)). По этому показателю можно выделить из общей денудации поверхностную и подземную, сезонные, природную и техногенную компоненты (Дублянский, Кикнадзе, 1984; Торсуев, 1986).


Рисунок 2 — Показатели карстовой денудации на Главной гряде Крыма (Дублянский и др., 1990)
Значения (мкм/год): 1 — < 21, 2 — 21-30, 3 — 31-40, 4 — 41-40, 5 — 51-60, 6 — > 60; 7 — граница между карстовыми районами. Карстовые районы: I — Ай-Петринский, II — Ялтинский, III — Никитский, IV — Бабуганский, V – Чатырдагский, VI — Долгоруковский, VII — Демерджинский, VIII – Карабийский.
Основы бальной методики оценки карстоопасности для отдельных областей Кавказа и юго-западной части Русской равнины были разработаны в конце 80-х гг. ХХ в. известными отечественными карстологами Г.Н. и В.Н. Дублянскими (Дублянский, Дублянская, 1992). Используемая ими многофакторная оценка, позволила во многом снять недостатки предшествующих методик, базирующихся, как правило, на одном из вышеприведенных показателей, и оценить карстовую опасность на основании комплексного подхода. Методика была существенно доработана в 90-е гг. ХХ в. и апробирована на территории Украины (рис. 3). Ее разным аспектам посвящена многочисленная научная литература (Дублянский, Дублянская, 1992; Дублянский, Михайлов, 1989; и др.). Оценка карстовой опасности включает два уровня — оценку естественноисторического карста и его антропогенную активизацию.

Рисунок 3 — Степень карстоопасности территории юго-запада Европейской части СССР (Дублянский, Дублянская, 1992).
Карстоопасность: 1 – низкая, 2 – средняя, 3 – высокая, 4 – очень высокая. Проявление карстопасности: 5 – аварийные ситуации, 6 – аварии, 7 – катастрофы. Границы: 8 – закарстованных территорий, 9 – площадей с разной степенью закарстованности. 10 – разнозакарстованные породы фундамента, 11 – незакарстованные территории.
Методологической основой для решения проблемы инженерно-геологической оценки закарстованных территорий являются представления Д.С. Соколова (Соколов, 1962) о четырех основных условиях развития карста (наличие: I — растворимых пород; II — водопроницаемости; III — движущихся вод; IV — агрессивных свойств у вод). Было выделено 20 ведущих факторов, четко соотносящихся с соответствующими основными условиями. Они были ранжированы некоторыми пределами распространенности или выраженности, после чего применена балльная оценка выделенных рангов.

Балльная оценка применяется для определения современной интенсивности развития карстового процесса и его опасности для хозяйственных объектов. Ее результаты должны быть сопоставлены с другой интегральной оценкой, осуществляемой по средней плотности карстовых форм. При высокой корреляции значений обоих оценок можно говорить о сопряженности природных условий карстообразования и имеющихся карстовых форм. При отсутствии корреляции делается вывод о реликтовом характере карстопроявлений.

Возможность использования балльного подхода была неоднократно проверена многими авторами в различных регионах Украины и России как при локальных исследованиях карстовых массивов Большого Сочи и Абхазии (Дублянский и др, 2001; Дублянский, Михайлов, 1989), имеющих небольшую площадь (50-600 км2), так и при оценке крупных регионов, например Украины (Дублянский, Дублянская, 1992). В последнем случае были внесены некоторые изменения, как в набор факторов, так и в балльные шкалы для их оценки. Авторы методики, осуществившие ее оптимизацию в различных регионах и с успехом применившие ее на Крымском полуострове, получили Государственную премию Автономной республики Крым в 1994 г. Для оценки условий развития карста использовался стандартный набор ведущих факторов, сформированный на основе экспертного мнения ведущих специалистов-карстологов Крыма.

Первое условие развития карста реализуется через шесть, второе — через пять, третье — через пять и четвертое — через четыре ведущих фактора. Рассмотрим принцип построения и структуру оценочных шкал, использовавшихся для Крыма.

I. Наличие растворимых пород:

2. Развитие карстующихся пород (в разрезе) оценивается по геологическим разрезам и стратиграфическим колонкам (данные бурения и личных исследований) в долях единицы по той же шкале.

4. Степень относительной карстуемости (по площади) оценивается по следующей шкале: галоидные породы – 5; сульфатные породы, чередование их с галоидными – 4; карбонатные породы (известняки, мел, доломиты), их переслаивание между собой, с галоидными и сульфатными породами – 3; глинистые, песчанистые карбонатные породы, их переслаивание между собой и с некарстующимися породами – 2; прослои карстующихся пород среди некарстующихся – 1 балл.

5. Степень относительной карстуемости (в разрезе) оценивается по геологическим разрезам и стратиграфическим колонкам по той же шкале (при этом баллы, начисленные по каждому горизонту карстующихся пород, суммируются и делятся на число горизонтов).

6. Тип карста (по характеру покровных отложений) оценивается, исходя из рисунка 42, по шкале: открытый — 5; покрытый — 4; перекрытый — 3; перекрыто-покрытый — 2; участки открытого и покрытого (в долинах рек) – 5 баллов.

Рисунок 4 — Типы карста по характеру покровных отложений (Дублянский, Дублянская, 1992)
I – открытый, II – покрытый, III – перекрытый, IV – перекрыто-покрытый. Породы: 1 – карстующиеся, 2-3 – некарстующиеся: 2 – осадочные несцементированные, 3 — осадочные сцементированные, магматические, метаморфические.
II. Наличие водопроницаемости:

7. Структурные условия оцениваются по тектонической карте (Атлас…, 2003) по шкале: горно-складчатые сооружения — 5; предгорные моноклинальные гряды — 4; предгорные впадины и прогибы — 3; платформенные антиклинальные структуры — 2; платформенные синклинальные структуры – 1 балл.

10. Характер коллекторов оценивается согласно (Дублянский, Кикнадзе, 1984; Дублянский, Ломаев, 1980) по шкале: поровый (П) — 1; трещинный (Т) — 2; каверновый (К) — 3, смешанный двойной (ПТ, ПК, ТК) — 4; смешанный тройной (ПТК) – 5 баллов. Принимается, что поровые коллекторы характерны для мела и толщ переслаивания карстующихся и некарстующихся пород; трещинные — для неслоистых массивных известняков, гипсов, соли; каверновые — для ракушечниковых известняков, смешанные — для районов, где имеются крупные обводненные полости.

III. Наличие движущихся вод:

IV. Наличие агрессивных свойств:

18. рH воды (единицы) оценивается по данным, приведенным в (Гидрогеология СССР, 1970) по шкале: 5-6,9 — 4; 7 — 3; 7,1-9 – 2 балла.

20. Увеличение растворяющей способности оценивается исходя из накопленного опыта исследований (Дублянский, 1977; Максимович, 1963; Дублянский, Кикнадзе, 1984; Соколов, 1962; и др.) дополнительным баллом (или их суммой) при формировании CO2 почвой (учитывается в открытом и покрытом карсте), наличии органических кислот (на заболоченных землях), наличии в растворе одноименных ионов (на участках переслаивания известняков и доломитов), подтоке сухих струй СО2 (близ разрывных нарушений), окислении сульфидов (в горно-рудных районах), наличии коррозии смешивания (при подпитке напорными водами и пр.). Для определения участков, где необходимо вводить дополнительные баллы, использованы материалы атласа АРК (Атлас…, 2003).

Для показа территориальных различий по условиям развития карста вся территория разбивалась на операционно-территориальные единицы (ОТЕ) – сетка квадратов площадью 1 км2 (при локальных исследованиях; например, участки в пределах Крыма) или 1000 км2 (при региональных или обзорных исследованиях; например, Украина). В пределах каждого из квадратов осуществлялся набор баллов по приведенным выше шкалам. Внутри каждого квадрата баллы суммировались. Затем использовался дифференциальный метод, суть которого заключается в составлении карты изобалл, отражающей территориальные (площадные) различия в факторной оценке развития карста, и выделении участков с разной степенью карстовой опасности, обусловленной естественноисторическими условиями.

Г.Н. и В.Н. Дублянские (Дублянский, Дублянская, 1992) исходя из опыта осуществленных бальных оценок закарстованных территорий Горного, Предгорного и Равнинного Крыма и колебаний между их минимальными и максимальными значениями, выделили пять градаций условий развития карста: неблагоприятные (менее 40 баллов), слабо благоприятные (41-50), средне благоприятные (51-60), благоприятные (61-70) и весьма благоприятные (более 70 баллов).

Для оценки карстоопасности совместно с материалами по факторной оценке развития карста этими авторами использовались данные по техногенной активизации карста. Параметры активизации снимались преимущественно с тематических карт атласов, учитывающих целый набор хозяйственно-экономических показателей.

Все разнообразие хозяйственной деятельности в регионе подразделяется на пять групп и четырнадцать видов: сельскохозяйственная (распашка, выпас скота, оросительные и осушительные мелиорации); лесохозяйственная (вырубка леса, лесопосадки); строительная (промышленное, гражданское, гидротехническое, коммуникационное строительство); горнодобывающая (открытые работы, подземные работы); водохозяйственная (местное и централизованное водоснабжение). Влияние каждого из этих видов деятельности можно оценить тем же факторным методом по выделенным ОТЕ и имеющимся картографическим материалам (Атлас…, 2003; Атлас…, 1978)

Распашка и выпас оцениваются по карте пахотных земель и пастбищ в процентах занимаемой площади по шкале (в баллах): более 70 — 3, 70-30 — 2, менее 30 – 1 балл. Орошение и осушение оцениваются по соответствующим картам по шкале: сплошное орошение — 3; разреженное орошение — 2; разреженное орошение без борьбы с эрозией — 1; массовое осушение заболоченных земель — 2; осушение избыточно-увлажненных почв — 1 балл. Вырубка леса оценивается по проценту деловой древесины в составе лесов по шкале: более 50 — 3, 50-30 — 2, менее 30 — 1 балл, а лесопосадки — по карте лесов: сплошные — 2, разреженные — 1 балл. Промышленное, гражданское, гидротехническое строительство и горнодобывающая деятельность, оценивается по соответствующим картам по величине пунсона (трехбалльная шкала), а коммуникационное строительство — по толщине знака грузопотока (трехбалльная шкала). Водохозяйственная деятельность оценивается по карте плотности населения для нецентрализованного водоснабжения (более 80 чел./км2 – 3, 80-40 – 2, менее 40 – 1 балл) и по размещению крупных городов с централизованным водоснабжением (более 300 тыс. жителей – 3, 300-30 тыс. – 2, менее 30 тыс. – 1 балл).

Полученные таким образом баллы суммировать нельзя, так как разные виды деятельности оказывают влияние одновременно на несколько факторов (табл. 2). Наиболее разнообразное влияние (12-14 изменяющихся факторов) оказывают промышленное, гражданское, гидротехническое строительство и открытые горные работы, наименее разнообразное (2-3 фактора) — местное и централизованное водоснабжение, а также подземная добыча полезных ископаемых. Степень комплексности влияния хозяйственной деятельности на разные ведущие факторы предлагается учитывать поправочным коэффициентом (исходя из количества изменяющихся факторов) по шкале: 15-13 – 1,5; 12-10 – 1,4; 9-7 – 1,3; 6-4 – 1,2; менее 4 – 1,1 балла (табл. 12).

После введения поправочных коэффициентов баллы суммируются, и производится обработка полученных данных по описанной выше методике. На основе расчетов, выполненных по этой методике в 90-х гг. прошлого века, получена балльная оценка антропогенной активизации для Крымского полуострова. Размах значений был разделен на четыре градации, соответствующие разной степени антропогенной активизации карста: менее 15 баллов – слабая, 15-20 баллов – средняя, 21-25 баллов – сильная, более 25 баллов – очень сильная.

Из полученных оценок естественноисторического и техногенно активизированного карста составляется таблица 13, которая позволяет перейти к оценке карстоопасности территории с выделением 5 степеней: I – низкая, II – средняя, III – высокая, IV – очень высокая, V – катастрофическая. Данные градации выносятся на картографическую основу и показываются цветом или штриховкой в пределах соответствующих контуров региона исследования.

Таблица 2 — Оценка влияния хозяйственной деятельности на ведущие факторы развития карста

*Примечание. 1 – развитие карстующихся пород (по площади); 2 – развитие карстующихся пород (в разрезе); 3 – мощность карстующихся пород; 6 – тип карста; 10 – характер коллекторов; 12 – количество эффективных осадков; 14 – поверхностный сток; 15 – подземный сток; 16 – уклон подземного потока; 17 – минерализация воды; 18 – pH; 19 – температура; 20 – увеличение растворяющий способности: а – СО2, б – органические кислоты, в – одноименные ионы, г – окисление сульфидов, д – коррозия смешивания, (+) влияет; (-) не влияет; (?) – характер влияния не установлен

Таблица 3 — Степень карстоопасности территории

Примечание: степень карстоопасности: I — низкая, II – средняя, III – высокая, IV – очень высокая, V — катастрофическая
Приведенные в таблице 3 материалы были использованы для определения степени карстоопасности Крымского полуострова (рис.39; (Атлас…, 2003)) и Украины (рис. 3; (Дублянский, Дублянская, 1992)). Они дают представление о региональной оценке карстовой опасности, и могут быть использованы для сравнения с другими регионами, оцененными по той же методике.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Специальные изыскания «на карст» и оценка карстовой опасности

Специальные изыскания «на карст» выполняются в комплексе с инженерно-геологическими изысканиями или как самостоятельный вид изысканий, в состав работ входят следующие основные виды работ:

  • анализ материалов изысканий (в т.ч. прошлых лет),
  • карстологическое обследование участка и прилегающих территорий,
  • бурение разведочных скважин «на карст»,
  • специальные гидрогеологические наблюдения при бурении скважин «на карст»,
  • опытные работы в скважинах «на карст» (наливы, нагнетания),
  • анализ и интерпретация результатов статического зондирования,
  • изучение состава, состояния карстующихся пород,
  • оценка агрессивности подземных вод к карстующимся породам.

Для выполнения специальных изысканий «на карст» разрабатываются программы, учитывающие инженерно-геологические условия и особенности развития карста района.

Оценка карстовой опасности включает в себя комплекс камеральных работ и расчетов, в том числе:

  • определение механизма провалообразования (с использованием результатов математического и физического моделирования),
  • расчет интенсивности провалообразования,
  • оценка наличия или отсутствия погребенных карстовых воронок в основании проектируемых сооружений,
  • оценка наличия или отсутствия карстовых полостей в основании проектируемых сооружений,
  • расчеты объемов и оценка опасности карстовых полостей,
  • расчет вероятности поражения сооружения карстовым провалом,
  • определение расчетного диаметра карстового провала (по геомеханическим и вероятностно-статистическим моделям),
  • организация и ведение карстологического мониторинга.

Научно-производственный центр «КАРСТ» с 1991 года выполняет специальные изыскания «на карст» и оценку карстовой опасности, за это время накоплен огромный опыт практической работы в различных инженерно-геологических условиях России.
За этот период нами пробурено более 800 разведочных скважин «на карст», изучено более 35.000 погонных метров керна.
Для нескольких тысяч объектов гражданского, промышленного строительства и линейных сооружений выполнена оценка карстовой опасности, среди которых можно отметить:

  • оценка закарстованности и рекомендации по противокарстовой защите для объектов ПАО «Газпром» (Нижегородская область — 33 объекта, Удмуртия, Кировская, Пермская, Свердловская области — 23 объекта, Краснодарский край, Волгоградская область -20 объектов, Московская область — 17 объектов, Владимирская область — 15 объектов, Ростовская, Орловская, Липецкая области — 15 объектов, Самарская, Саратовская, Волгоградская области — 9 объектов, Пензенская, Воронежская, Астраханская области — 9 объектов, Ивановская область — 8 объектов, Татарстан, Чувашия — 7 объектов, Марий-Эл — 7 объектов, Мордовия — 7 объектов, Казахстан — 6 объектов, Калужская область — 5 объектов, Удмуртия, Оренбургская, Кировская области — 4 объекта, Псковская область — 4 объекта, Северный Кавказ — 3 объекта, Курская, Липецкая области — 2 объекта),
  • карстологическое обследование и оценка закарстованности участков Свердловской железной дороги,
  • карстологическое обследование и оценка закарстованности участков Южно-Уральской железной дороги,
  • оценка закарстованности и рекомендации по противокарстовой защите для объектов 1408-1423км участка Агрыз-Дружинино Горьковской железной дороги (тоннели и виадук),
  • оценка закарстованности и рекомендации по противокарстовой защите для дюкерных переходов через р.Оку (Нижегородская область),
  • оценка карстоопасности и разработка рекомендаций по перспективному освоению микрорайона №2 «Южный» в г.Артемовске (Украина).

Наш опыт и результаты наших научных исследований позволяют предложить потребителям качественные услуги по оценке карстовой опасности для любых зданий и сооружений, газопроводов и других линейных объектов, в любом регионе, в любых инженерно-геологических условиях.

Будем рады видеть Вас среди наших клиентов!

Противокарстовая и береговая защита

Предприятие с полувековым опытом изучения карста и оценки карстовой опасности для проектируемых, реконструируемых и эксплуатируемых сооружений.
Подготовка предпроектных инженерно-геологических заключений.
Комплексные инженерно-геологические и инженерно-экологические изыскания (с применением современных геофизических методов, бурением скважин до 100 м и т.д.) для объектов в любых по сложности условиях с развитием природных и техногенных процессов. Карстологический мониторинг объектного и территориального уровней.
Определение параметров противокарстовой защиты. Разработка рекомендаций по снижению карстового риска в соответствии с действующими нормативными документами.
Экспертиза проектно-изыскательских материалов. Научно-техническое сопровождение проектно-изыскательских работ. Консультативные услуги в области инженерного карстоведения, в том числе территориальных строительных норм (ТСН), правил застройки в городах и т.д.
Разработка нормативно-методических документов по изысканиям и проектированию на закарстованных территориях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *