Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 1, стр. 41-49

ВВЕДЕНИЕ

В конце прошлого века, благодаря И.А. Саваренскому и Н.А. Миронову [8], в отечественную методическую (а затем и в нормативную) литературу прочно вошел термин “карстово-обвальные провалы”. Так стали называть провалы, возникающие при обрушении кровли полости, сформировавшейся в растворимых (карстующихся) породах. Впоследствии один из авторов упомянутой статьи выделил генетическую разновидность карстово-обвальных провалов, приуроченную к территориям, где растворимые породы перекрыты от их кровли до земной поверхности слабопроницаемыми глинистыми породами. Подобные провалы было предложено именовать карстово-обвальными провалами “простого” типа [11]. Название было мотивировано тем, что механизм этой разновидности карстового провалообразования не осложнен гидродинамическими разрушениями несвязных водонасыщенных дисперсных пород, что характерно для карстово-обвального провалообразования “сложного” типа [12].

В англоязычных публикациях для наименования карстово-обвальных провалов “простого” типа чаще всего применяют термины “dropout sinkholes” [17] или “cover collapse sinkholes” [15]. Геологические условия, в которых проявляется эта генетическая разновидность карстового провалообразования, характерны для разных регионов планеты, а сам этот феномен представляет серьезную опасность для строительства и для окружающей среды. Наша страна не является исключением. В частности, в некоторых карстовых районах Республики Башкортостан регулярное появление провалов такого типа наносит значительный ущерб хозяйственным объектам различного назначения [1]. Иногда многочисленные, близко расположенные (и даже примыкающие друг к другу) старые карстовые воронки, образовавшиеся в результате выполаживания бортов карстово-обвальных провалов “простого” типа, формируют специфические ландшафты с контрастным рельефом, что можно видеть на рис. 1. Естественно, строительное освоение таких территорий требует значительных затрат.

ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЕ, ВЫЗВАННОЕ ОБРУШЕНИЕМ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД В КАРСТОВУЮ ПОЛОСТЬ

Известны три основные причины обрушения глинистых пород в нижележащую карстовую полость: 1) расширение карстовой полости на контакте с подошвой глинистых пород за счет растворения ее стенок; 2) динамические воздействия на глинистые породы; 3) падение пьезометрического напора карстовых вод, т.е. снижение направленного вверх поддерживающего гидростатического давления на подошву глинистого водоупора. Первый фактор, как правило, является результатом естественного протекания карстового процесса. Второй фактор может иметь как природное (землетрясения), так и техногенное (работа определенных механизмов, движение транспорта и др.) происхождение. Третий фактор преимущественно является результатом искусственного отбора карстовых вод для различных целей [16]. Рассмотрим два примера, иллюстрирующих действие первого и третьего факторов.

Первым примером служит участок, расположенный на территории Павловского района Нижегородской обл. вблизи деревень Коровино и Кишемское. Здесь уже несколько тысячелетий продолжается массовое формирование карстовых провалов, вызванное естественным растворением нижнепермских сульфатных и верхнепермских карбонатных пород [3]. Выше карстующихся пород залегают верхнепермские глины с прослоями алевролитов и мергелей, перекрытые вплоть до земной поверхности четвертичными суглинками. Суммарная мощность глинистой толщи составляет первые десятки метров, а карстовые воды обладают пьезометрическим напором, достигающим 18 м. Диаметры свежих провальных форм доходят до 16 м, а диаметры старых воронок достигают десятков метров (см. рис. 1). В пределах участка и на окружающих его территориях каких-либо значительных техногенных воздействий на геологическую среду не наблюдается.

В качестве второго примера можно привести ситуацию, сложившуюся в середине прошлого века в штате Пенсильвания (США), в окрестностях населенного пункта Херши, где находится известная шоколадная фабрика [14]. Недалеко от нее уже многие годы осуществлялась сначала открытая, а затем подземная добыча ордовикских известняков. В мае 1949 г. почти двукратно усилился шахтный водоотлив, в результате чего образовалась депрессионная воронка площадью около 30 км², в центре которой уровень подземных вод был снижен на 75 м. В пределах этой воронки, где снижение уровня грунтовых вод превысило 15 м, на территории площадью около 7 км² за 5 мес образовалось более 100 провалов поперечником от 2 до 7 м и глубиной до 8 м. Известняки здесь содержат многочисленные полости и перекрыты до земной поверхности глинистым элювием средней мощностью 20 м, который начал обрушиваться в полости в результате падения поддерживающего эти породы вертикального гидростатического давления. До 1949 г. в этой местности практически горизонтальная пьезометрическая поверхность карстовых вод занимала стабильное положение на глубине около 8 м. Карстовые провалы появлялись, но крайне редко, поскольку это было связано с очень медленным растворением известняков при существовавшем до этого времени гидродинамическом режиме подземных вод. После того, как в декабре 1949 г. район добычи известняков был ограничен цементной завесой, и одновременно с этим началась искусственная подпитка подземных вод за ее пределами, провалообразование, зона которого уже подступала к зданиям фабрики, прекратилось.

В подавляющем большинстве случаев свежие карстовые провалы, которые образуются в результате сквозного обрушения глинистых пород, выходящего на земную поверхность, имеют конфигурацию, близкую к цилиндрической (рис. 2). Это означает, что данная форма рельефа представляет собой результат обрушения монолитного грунтового блока в виде вертикального круглого цилиндра, и при этом глинистые породы испытывают срез по его боковой поверхности. Теоретическое обоснование этого феномена было дано Г.П. Постоевым [5], причем не только в отношении глинистых пород.

Иногда свежие карстово-обвальные провалы “простого” типа имеют куполообразную форму. Обычно провалы такой конфигурации приурочены к участкам неглубокого залегания растворимых пород, поэтому они легко воспроизводятся на лабораторных физических моделях [10] и выглядят в вертикальном разрезе так, как показано на рис. 3. В натурных условиях куполообразные карстово-обвальные провалы “простого” типа обнаруживаются довольно редко, потому что нависающие грунтовые “консоли” очень быстро обваливаются под действием собственного веса, что, в общем-то, можно видеть и в правой части рис. 3.

При достаточно большой глубине залегания кровли растворимых пород обрушение глинистых пород в карстовые полости может происходить и без выхода на земную поверхность, и тогда оно принимает вид так называемого внутреннего вывала. В этом случае выше полости, сформировавшейся в растворимых породах, над которой произошло обрушение перекрывающих ее глинистых пород, возникает новая (вторичная) полость. Она ограничена сверху куполообразным сводом, по поверхности которого происходит разрыв и сдвиг глинистых пород при выпадении монолитного грунтового блока. На рис. 4 показана вторичная карстовая полость обрушения шириной около 1.5 м, вскрывшаяся в борту небольшого карьера приблизительно на глубине 5 м от земной поверхности, на которой это обрушение никак не проявилось.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЯ

В настоящее время известны два концептуальных подхода к прогностическому расчету диаметров карстово-обвальных провалов “простого” типа на детерминистической основе. Оба они базируются на принципе оценки предельного состояния глинистых пород в момент их обрушения в полость при равенстве сил, вызывающих этот процесс (вес горной породы), и сил, ему противостоящих (сопротивление горной породы сдвигу и разрыву, а также поддерживающее гидростатическое давление). В основе обоих подходов лежат теоретические разработки, предложенные еще в начале прошлого века в области горного дела, разумеется, модернизированные и адаптированные к решению задач инженерного карстоведения.

Первый концептуальный подход исходит из предположения, что свежий карстово-обвальный провал “простого” типа формируется одномоментно за счет нисходящего сдвига в карстовую полость монолитного блока глинистых пород в виде вертикального круглого цилиндра, имеющего высоту, равную глубине залегания кровли растворимых пород (рис. 5а). Простейшую геомеханическую модель, пригодную для формального описания этого процесса, предложил в 1913 г. немецкий исследователь А. Бирбаумер (A. Bierbaumer) [13].

Второй концептуальный подход опирается на идею, что карстово-обвальное провалообразование “простого” типа может включать в себя в качестве первой стадии обрушение глинистых пород в виде их внутреннего вывала, ограниченного обращенным вершиной вверх параболоидом вращения. На следующей стадии в образовавшуюся таким образом вторичную полость происходит нисходящий сдвиг монолитного цилиндрического блока вышележащих глинистых пород, но его высота уже будет равна расстоянию по вертикали от земной поверхности до верхней точки вторичной полости (рис. 5б). В этом случае, кроме модели А. Бирбаумера, в расчет принимается еще и разработанная в 1912 г. геомеханическая модель М.М. Протодьяконова [6], на которую можно опираться при математическом описании процесса формирования внутреннего вывала.

Существует довольно много методов прогностического расчета диаметров карстовых провалов рассматриваемого генетического типа, реализующих оба рассмотренных выше подхода [2]. В качестве трех наиболее характерных и принципиально различающихся между собой альтернативных теоретических решений, разработанных отечественными специалистами, предлагается сравнить между собой расчетные методы, авторами которых являются Г.М. Троицкий, В.В. Савин и В.П. Хоменко. Поскольку во всех трех способах в качестве исходных параметров для прогностических расчетов используются одинаковые величины, результаты соответствующих прогнозов могут быть корректно сопоставлены.

ХАРАКТЕРИСТИКА ТРЕХ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СПОСОБОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Способ Г.М. Троицкого является единственным решением, пригодным для прогностического расчета диаметров карстово-обвальных провалов “простого” типа, которое условно можно считать нормативным, поскольку оно рекомендовано к применению методическим документом [7]. В основе способа лежит геомеханическая модель А. Бирбаумера (см. рис. 5а). Согласно теоретическому решению Г.М. Троицкого, функциональная зависимость диаметра провала от глубины залегания кровли растворимых пород имеет линейный характер. Само это решение в упрощенном виде (для однородной глинистой толщи и без учета давления под подошвой фундамента) выражается формулой:

где d – диаметр провала; m – глубина залегания кровли растворимых пород, м; ξ – коэффициент бокового давления глинистых пород; φ – их угол внутреннего трения, градус; с – их удельное сцепление, кПа; γ – их удельный вес, кН/м³.

При этом величина ξ рассчитывается по формуле:

Способ В.В. Савина [9], также как и способ Г.М. Троицкого, применим для прогностического расчета диаметров карстово-обвальных провалов “простого” типа и тоже базируется на геомеханической модели А. Бирбаумера (см. рис. 5а). Вместе с тем, в отличие от предыдущего, это теоретическое решение математически выражает нелинейную функциональную зависимость диаметра провала от глубины залегания кровли растворимых пород, которая имеет следующий вид: Кроме того, величина ξ, присутствующая в формуле (3), рассчитывается по-другому: Способ В.П. Хоменко [12], в отличие от двух предыдущих, не просто пригоден, а специально разработан для расчета диаметров карстово-обвальных провалов “простого” типа и представляет собой теоретическое решение, объединяющее геомеханические модели А. Бирбаумера и М.М. Протодьяконова (см. рис. 5б). Также как и способ В.В. Савина, способ В.П. Хоменко предлагает нелинейную интерпретацию функциональной зависимости диаметра провала от глубины залегания кровли растворимых пород, а величина ξ в обоих случаях рассчитывается по формуле (4). Согласно решению В.П. Хоменко, соответствующие прогностические расчеты осуществляются по следующим формулам: где d₀ – критическая ширина карстовой полости на контакте с перекрывающими ее глинистыми породами, обеспечивающая их внутренний вывал, м;  f – коэффициент крепости глинистых пород по М.М. Протодьяконову; γ_w – удельный вес воды, принимаемый равным 10 кН/м³; h – пьезометрический напор карстовых вод, м; R – сопротивление глинистых пород разрыву, кПа.

Согласно теоретическому решению В.П. Хоменко, карстово-обвальное провалообразование “простого” типа становится невозможным, если d > d₀: в этом случае обрушение глинистых пород ограничивается их внутренним вывалом. При выполнении неравенства d₀ > 2fm вывала не будет, и обрушение сразу выйдет на поверхность, а внутреннее пространство провала будет иметь куполообразную форму (см. рис. 3).

Существуют серьезные расхождения в результатах прогностических расчетов, осуществляемых с использованием трех перечисленных выше способов. Эти расхождения проявляются тем сильнее, чем выше прочность глинистых пород, испытывающих обрушение, и чем больше глубина залегания растворимых пород (рис. 6). В связи с этим возникает необходимость сравнить результаты соответствующих расчетов с реальными диаметрами карстово-обвальных провалов “простого” типа при наличии возможности их корректного сравнения.

Такая возможность представилась после того, как в 2018 г. вблизи села Неледино Шатковского района Нижегородской области образовался карстово-обвальный провал “простого” типа, и были проведены необходимые исследования и измерения [4]. Первоначальный диаметр провала (d_f) был равен 16 м (рис. 7), и он имел форму, близкую к вертикально-круглоцилиндрической. На участке провала кровля растворимых пород (верхнепермских известняков) находится на глубине (m), равной 30 м. Они перекрыты верхнепермскими и четвертичными глинистыми породами, причем мощность четвертичных пород (по визуальной оценке) составляет приблизительно 1/5 от общей мощности толщи глинистых пород. Карстовые воды на участке провала безнапорные (h = 0).

Что касается физико-механических свойств глинистых пород, то в качестве исходных данных были приняты величины, полученные обратными расчетами для глинистых пород той же стратиграфической единицы (татарского яруса верхней перми) на участке карстово-обвального провала “простого” типа, образовавшегося в 1959 г. у деревни Пивоварово Вязниковского района Владимирской области [11]: γ = 21 кН/м³; φ = 23°; с = 77 кПа; R = 32 кПа. Результаты промежуточных и окончательных прогностических расчетов, а также сравнительной верификационной оценки трех рассматриваемых методов представлены в табл. 1.

ВЫВОДЫ

1. Основным содержанием процесса формирования карстово-обвального провала “простого” типа является обрушение глинистых пород в карстовую полость. Провалы этой генетической разновидности появляются там, где растворимые породы перекрыты глинистыми породами вплоть до земной поверхности. Карстово-обвальное провалообразование “простого” типа может быть инициировано техногенными факторами (например, искусственным отбором карстовых вод) и представляет серьезную опасность для зданий и сооружений.

2. Существуют два подхода к прогнозированию диаметра карстово-обвального провала “простого” типа на расчетно-теоретической основе. Один подход допускает, что в расчет достаточно принимать только нисходящий сдвиг в карстовую полость круглого вертикального грунтового цилиндра, высота которого равна мощности глинистых пород, перекрывающих растворимые породы. Другой подход исходит из предпосылки, что этому процессу должен предшествовать внутренний вывал глинистых пород, ограниченный обращенным вершиной вверх параболоидом вращения. Оба эти подхода базируются на теоретических разработках в области горного дела, предложенных еще в начале XX века. По существу, первый подход рассматривает карстово-обвальное провалообразование “простого” типа как одностадийный процесс, а второй – как двухстадийный.

3. Результаты, получаемые с помощью трех (из многих применяемых в настоящее время) способов расчета диаметра карстово-обвального провала “простого” типа, были корректно сопоставлены, благодаря использованию ими одинаковых исходных параметров. Сравнение полученных с помощью этих трех способов прогностических решений применительно к одному и тому же объекту показало наибольшую адекватность способа, рассматривающего данный тип карстового провалообразования как двухстадийный процесс, разумеется, с учетом конкретных геологических условий. Кроме того, в отличие от других двух, этот способ позволяет оценивать конфигурацию ожидаемого провала в вертикальном разрезе и принципиальную возможность его образования.