Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 2, стр. 10-15

ВВЕДЕНИЕ

В середине прошлого века А.С. Девдариани [2] первым обратил внимание на техногенный рельеф, формирующийся в результате косвенного воздействия деятельности человека на протекание некоторых геологических процессов естественного происхождения, образно назвав такой рельеф и его формы возбужденными. В настоящее время Л.Л. Розанов [4] предлагает именовать процесс формирования возбужденного рельефа или его конкретных элементов техноморфоплагенностью. Если придерживаться терминологической системы, разработанной А.Л. Суздалевой и С.В. Горюновой [5], этот процесс следует называть техногенезом. При этом он может относиться к разным видам техногенеза, выделенным авторами по разным классификационным признакам: стихийному или контролируемому, первичному или вторичному, точечному или локальному (в редких случаях к региональному), геоморфологическому или геологическому.

Техноморфоплагенность (по Л.Л. Розанову) разнообразна, многие ее виды неплохо изучены и вполне прогнозируемы, например, опускание земной поверхности в результате извлечения из недр флюидов, просадочность лёссовых пород, техногенно активизированные овраго- и оползнеобразование. Этого, однако, нельзя сказать о феномене, именуемом карстово-суффозионным провалообразованием фреатического типа, который встречается в разных регионах нашей планеты, представляет серьезную опасность для строительства, но изучен недостаточно, а его прогнозирование сталкивается с трудностями объективного характера.

Термин “карстово-суффозионный провал фреатического типа” впервые был предложен в 2012 г. [8]. Смысл этого словосочетания заключается в том, что им обозначается такой генетический тип провалов, образование которых обусловлено суффозионным разрушением и перемещением несвязных дисперсных пород локальным нисходящим потоком грунтовых (фреатических) вод в незакольматированные карстовые полости или расширенные трещины, присутствующие в нижележащих растворимых породах. В нашей стране первое описание характерных особенностей провалов этого типа, встречающихся в Среднем Поволжье и имеющих естественное происхождение, было дано М.С. Кавеевым [3], который предупреждал об опасности строительства зданий и сооружений вблизи таких форм рельефа.

Однако карстово-суффозионное провалообразование фреатического типа представляет еще большую опасность для строительства, если оно инициировано техногенными факторами, не говоря уже об экологическом ущербе, который оно способно нанести. Об этом, в частности, свидетельствует ситуация, сложившаяся к середине 1980-х годов на территории колледжа Берри в штате Джорджия (США), где в результате осушения известнякового карьера началось формирование провалов такого рода. Одни из них появились в рекреационной зоне кампуса на дне искусственного озера, что привело к его катастрофическому обмелению, а другие вызвали разрушение отдельных зданий колледжа [10].

ПРИРОДА ФЕНОМЕНА

Для формирования карстово-суффозионного провала фреатического типа необходимы следующие геологические условия: 1) в полностью обводненных растворимых породах должны присутствовать раскрывающиеся в их кровле карстовые полости или расширенные трещины, лишенные заполнителя; 2) растворимые породы должны быть перекрыты водонасыщенными несвязными дисперсными породами. Иными словами, должна существовать обширная область или локальный участок, где существует гидравлическая связь между поровыми надкарстовыми водами и трещинно-карстовыми водами (рис. 1). В этих условиях отток воды из растворимых пород (см. рис. 1а) и (или) поступление воды в вышележащие несвязные дисперсные породы (см. рис. 1б) вызывают появление в них нисходящей фильтрации, направленной к входу в карстовую полость или расширенную трещину, присутствующую в растворимых породах, за счет возникшего в этом месте перепада напоров (ΔH).

Механизм карстово-суффозионного провалообразования фреатического типа изучался на лабораторных физических моделях [1, 9]. В ходе моделирования при прочих равных условиях постепенно увеличивалась величина ΔH. Эксперименты показали, что полное фильтрационное разрушение несвязных дисперсных пород (как разновидность суффозии [7]) начинается там, где гидравлический градиент нисходящего фильтрационного потока имеет максимальную величину – на входе в полость или трещину. Область развития суффозионного процесса ограничена поверхностью, во всех точках которой гидродинамические давления равны эффективным напряжениям. Пространство внутри этой поверхности заполнено псевдоплывуном, который представляет собой вязкую массу, имеющую возможность перемещаться вниз в раскрытую полость или трещину под действием гравитационных и гидродинамических сил.

Вначале псевдоплывунная зона имеет форму эллипсоида (рис. 2а), высота и ширина которого постепенно увеличиваются. Логично рассматривать этот процесс как подготовку провалообразования, которая заканчивается, когда высота псевдоплывунной зоны становится равной мощности зоны насыщения несвязных дисперсных пород. С этого момента псевдоплывунная зона приобретает параболическую форму, а продолжающийся рост величины ΔH приводит к ее дальнейшему расширению и обрушению вышележащих пород. Если зона насыщения расположена достаточно глубоко, такое обрушение вначале будет иметь вид внутреннего вывала (рис. 2б) и только потом достигнет земной поверхности (рис. 2в). В противном случае провал может образоваться сразу.

В естественных условиях появление карстово-суффозионных провалов фреатического типа может быть вызвано аномальными атмосферными осадками или снижением базиса эрозии [3]. Однако рост величины ΔH, инициированный аналогично действующими техногенными факторами (инфильтрацией из искусственных водоемов, орошением, утечками из водонесущих коммуникаций, водопонижением, эксплуатацией подземных вод), отличается большей скоростью, а сама эта величина может достигать бóльших значений. Именно поэтому карстово-суффозионное провалообразование фреатического типа, имеющее техногенное происхождение, проявляется более катастрофично, чем, если бы оно имело естественные причины. Типичный провал такого рода показан на рис. 3. Фотография была сделана приблизительно через два часа после начала разрушения дорожного покрытия. В момент фотографирования диаметр провала был равен 8 м, а его глубина достигала 2 м.

ПРОГНОЗ ПАРАМЕТРОВ ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЯ

Результаты экспериментального изучения рассматриваемого феномена позволили разработать его концептуальную модель и предложить методику прогностической оценки его опасности для существующих или проектируемых сооружений на расчетно-теоретической основе. Последовательность и характер расчетных операций зависит от причины, вызывающей карстово-суффозионное провалообразование фреатического типа.

Причина – искусственный отбор воды из растворимых пород (рис. 4а)

Прогнозирование начинается с расчета критического значения величины ΔH, обеспечивающего выход псевдоплывунной зоны на верхнюю границу зоны насыщения несвязных дисперсных пород (ΔH_kr), по формуле [7]:

где (σ_y)_s – горизонтальное нормальное напряжение на верхней границе зоны насыщения, кПа; γ_w – удельный вес воды, принимаемый равным 10 кН/м³.

Затем оценивается принципиальная возможность обрушения дисперсных пород, перекрывающих зону насыщения (а, следовательно, и формирования провала). Такой возможности не существует в ситуациях, когда:

где m_s – мощность зоны насыщения несвязных дисперсных пород, м.

Если условие, выраженное формулой (2), не выполняется, осуществляется оценка размеров псевдоплывунной зоны при ΔH = ΔH_kr по формуле [7]:

где d – диаметр карстово-суффозионного провала фреатического типа, равный ширине верхней части псевдоплывунной зоны при ΔH = ΔH_kr , м; γ' – удельный вес несвязного грунта, взвешенного в воде, принимаемый равным 10 кН/м³; (σ_z)_s – вертикальное нормальное напряжение на верхней границе зоны насыщения, кПа; φ_s – угол внутреннего трения водонасыщенных несвязных дисперсных пород, град., рассчитываемый как средневзвешенная величина по мощности зоны насыщения: где n – количество слоев водонасыщенных несвязных дисперсных пород; m – мощность слоя, м; φ – угол внутреннего трения слагающих его пород, град.; i – порядковый номер слоя, начиная от кровли растворимых пород; i в нижнем индексе – параметр i-го слоя.

Образование карстово-суффозионного провала фреатического типа с диаметром d под фундаментом здания или сооружения возможно только при соблюдении условия [7]:

где 2a_kr – критическая ширина верхней части псевдоплывунной зоны, при которой под фундаментом происходит обрушение вышележащих дисперсных пород, принимающее вид провала, м. Эта величина рассчитывается на основе, так называемой круглоцилиндрической геомеханической модели по формулам [6]: где n – количество слоев дисперсных пород, перекрывающих зону насыщения до подошвы фундамента; i – порядковый номер слоя, начиная от подошвы фундамента, i и i – 1 в нижнем индексе – соответственно параметр i-го слоя и слоя, залегающего над i-м слоем; $\sigma _{y}^{'}$ – горизонтальное нормальное напряжение в кровле слоя, кПа; $\sigma _{y}^{{''}}$ – то же, в его подошве, кПа; m – мощность слоя (m₀ = 0), м; φ – угол внутреннего трения слагающих его пород, град.; с – их удельное сцепление, кПа; γ – их удельный вес, кН/м³; р – давление под подошвой фундамента, кПа; α – коэффициент, значения которого принимаются по таблице 5.8 СП 22.13330.2011¹¹ (α₀ = 1); ξ – коэффициент бокового давления, рассчитываемый по формуле:

В случае выполнения условия, выраженного формулой (5), делается вывод о возможности образования под подошвой фундамента здания или сооружения карстово-суффозионного провала фреатического типа, имеющего диаметр d.

Причина – техногенная инфильтрация воды в дисперсные породы (рис. 4б)

Вначале осуществляется проверка условия, выражаемого формулой:

где ξ* – коэффициент бокового давления пород, залегающих непосредственно под подошвой фундамента; z_s – глубина уровня грунтовых вод от подошвы фундамента, м.

Провалообразование считается невозможным, если это условие выполняется. В противном случае определяется величина ΔH_kr, что целесообразно делать графически так, как это показано на рис. 5. Ширина псевдоплывунной зоны при ΔH = = ΔH_kr оценивается с использованием видоизмененного варианта формулы (3), принимающей вид:

При этом параметр φ_s также рассчитывается как средневзвешенная величина по мощности зоны насыщения, однако в связи с ожидаемым подъемом уровня грунтовых вод эта мощность принимается равной не m_s , а m_s + ΔH_kr. Для этого нового уровня рассчитываются также и величины (σ_y)_s и (σ_z)_s.

Затем с помощью формул (6)–(9) определяется величина 2a_kr, также с учетом более высокого положения уровня грунтовых вод, и осуществляется проверка выполнения условия, выраженного формулой (5). Если оно выполняется, следует ожидать образования карстово-суффозионного провала фреатического типа с диаметром d, а если нет – то это событие не сможет реализоваться.

ВЫВОДЫ

1. Геоморфологический техногенез, выражающийся в образовании карстово-суффозионных провалов фреатического типа, характерен для районов распространения растворимых пород, перекрытых водонасыщенными несвязными дисперсными породами. В мировой практике известны случаи, когда появление таких провалов приводило к значительному материальному, социальному и экологическому ущербу.

2. Для образования карстово-суффозионных провалов фреатического типа достаточно присутствия в растворимых породах даже не полостей, а расширенных трещин. Причинами этих феноменов чаще всего являются такие техногенные воздействия на подземную гидросферу, как водопонижение, осушение, эксплуатация трещинно-карстовых вод, создание искусственных водоемов, орошение почв, утечки из водонесущих коммуникаций.

3. Экспериментальное изучение карстово-суффозионного провалообразования фреатического типа показало, что этот процесс в достаточной мере детерминирован и имеет в своем развитии определенные ограничения. Это позволяет прогностически оценивать на расчетно-теоретической основе возможность появления данной генетической разновидности карстовых провалов под фундаментами зданий и сооружений и их ожидаемые диаметры.