CC BY
65
------------------------------------------- © В.В. Мельник, 2010
УДК 624.131.32 В.В. Мельник
ДИАГНОСТИКА КАРСТОПРОЯВЛЕНИЙ
ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИЗЫСКАНИЙ
Проведен анализ методов, используемых для диагностики опасности карстопроявлений при проведении инженерно-геологических изысканий. Рассмотрены геомеханические факторы, влияющие на развитие карста и возможность использования карстоопасных территорий под строительство инженерных сооружений.
Ключевые слова: бурение скважин, тектонические нарушения, карстовый провал, гео-динамические движения.
Семинар № 12
Стандартный комплекс инженерно-геологических изысканий, как правило, включает в себя бурение скважин с построением инженерногеологических разрезов и исследованием физико-механических свойств керна. Этот комплекс иссле-дований обоснован действующими нормативными документами и не под-вержен критике. Но такая схема под-ходит лишь для простых инженерно-геологических условий.
Накопленный опыт исследований условий строительства объектов недропользования в Уральском регионе показывает высокую степень неоднородности инженерно-геологических усло-вий. Особое место среди факторов, осложняющих условия строительства занимает тектоническая нарушенность.
Особенно ярко тектоника проявляет себя в массиве горных пород имеющем предпосылки к карстообразованию (известняки, гипс, соль, песок). В таком массиве тектонические нарушения и связанные с ними зоны дезинтеграции активизируют развитие карстовых пустот и суффозионный вынос мелкодисперсного материала, что нередко приводит к аварийным ситуациям, связанным
с разрушением инженерных сооружений.
Последствия карстовых провалов могут, как осложнять эксплуатацию инженерных сооружений (рис.1), так и приводить к разрушению объектов недропользования (рис. 2).
Практика диагностики массива горных пород, полученная институтом на многочисленных объектах с разными горно-геологическими условиями, свидетельствует, что повсеместно распространены современные геодинамические движения. Однако концентрация их параметров приурочена, как правило, к зонам тектонических нарушений. В то же время, ранг тектонических нарушений не всегда согласуется с уровнем геоди-намической активности. Нередко тектонические нарушения невысоких рангов обладают большей современной активностью и подвижностью. Поэтому оценка условий строительства по фондовым геологическим материалам и стандартным инженерно-геологическим изысканиям не могут заменить непосредственных исследований структуры и геодинамической активности.
Результаты исследования современной геодинамики выделяют два вида современных геодинамических движений -трендовые и цикличные. Трендовые сохраняют в течение длительных промежут-
ков времени относительное постоянство скорости и направленности. Встречаются они относительно редко и приурочены, как правило, к крупным тектоническим
нарушениям. Выявление и исследование их требует длительных исследований.
Наибольшие распространение и опасность представляют современные цикличные короткопериодные движения, имеющие продолжительность циклов от нескольких минут до нескольких часов и месяцев. При проведении инженерногеологических исследований нами исследуется именно этот вид геодинамических движений, имеющий повсеместное распространение и наибольшую опасность для строящихся и эксплуатируемых объектов.
Короткопериодные движения в совокупности со структурно-ослаблен-ными зонами представляют собой бомбу замедленного действия для инженерных сооружений как в карстоопасном, так и прочном скальном массиве горных пород.
Карстоопасный массив представляет собой производную нескольких составляющих, входящих в геомеханическую модель участка недропользования. Исходя из характеристик, представляющих наибольший интерес с точки зрения ее построения (структурно-текто-ническое строение, глубина и площадь распространения карстовых полостей, гидродинамические и геодинамические характеристики), исследования наиболее целесообразно производить с помощью геофизических и геодезических методов.
Глубинное строение карстоопасного участка следует изучать методами наземной геофизики.
Геофизические методы существенно отличаются друг от друга глубинностью исследований, разрешающей способностью и кругом решаемых с их помощью задач. Поэтому включаемые в комплекс геофизические методы, полезно разделить на основные и вспомогательные.
К основным методам следует относить методы, которые позволяют получить максимальный объем информации о составе, строении и свойствах грунтов при
оптимальных затратах средств и времени. С помощью основных методов выполняется основной объем геофизических работ.
Вспомогательные методы должны обеспечивать получение дополнительной информации для устранения неточности и неоднозначности решений, получаемых основными методами. Они также должны обладать высокой надежностью и точностью.
Выбор основных и вспомогательных методов осуществляется в каждом случае в соответствии с кругом решаемых задач и учетом всех характерных для района природных факторов. В нашем случае, задача заключается в выявлении структурного строения массива горных пород, его гидродинамических параметров и геометрии карстовых полостей для создания геомеханической модели карстоопасного участка. Геометрия полостей, требуется для определения возможности обрушения кровли земной поверхности, что является заключительным этапом при определении опасности карстопроявлений.
Для решения поставленных задач, на основании опыта проведения исследований карстоопасных участков коллективом сотрудников института при непосредственном участии автора диссертационной работы, а также изучении накопленного опыта сторонних организаций следует выделить основные геофизические методы, рекомендуемые для создания геомеханической модели исследуемого участка.
К основным методам в первую очередь относится электрометрия, в площадных разновидностях, поскольку электрические свойства пород закарстованных районов отличаются высокой неоднородностью и позволяют расчленить массив закарсто-ванный и нетронутый процессами карсто-образования. Кроме того, этими методами с высокой детальностью и надежностью определяются структурные неоднородности массива, в частности тектонические
трещины и разломы, которые в свою очередь являются неотъемлемой частью участка развивающегося карста.
Следующим методом, отнесенным автором к основным методам изучения глубинного строения карстоопасного массива является спектральное сейсмопрофилирование. С его помощью имеется возможность оценить структуру карстоопасного массива с высокой детальностью и глубиной исследования. Метод позволяет выявлять как структурные неоднородности самого массива, так и геометрию карстовых полостей, глубину их залегания.
Третьим, наиболее приспособленным, с нашей точки зрения, для определения формы и размеров карстовых полостей методом является георадарное зондирование, дающее возможность детализировать карст. Его преимуществом является высокая детальность исследований, а основным недостатком небольшая глубина исследований.
Геодинамическую составляющую гео-механической модели карстоопасного массива изучаем с помощью геодезических методов. Внедрение дифференциальных GPS - технологий позволило коллективу ученых ИГД УрО РАН экспериментально выявить новый класс геодина-мических движений в тектонических зонах с амплитудами до 110 мм с периодами от 1 минуты до 1 часа и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, свойственен пульсационный характер и знакопеременная направленность.
Рассматривая всю гамму наблюдаемых цикличных знакопеременных и трендовых геодинамических движений, можно
заключить, что основным свойством геологической среды, особенно в разломных зонах, является нахождение ее в непрерывном движении. Движение выступает как форма существования геологической среды.
Наличие знакопеременных смещений в разломной зоне существенно влияет на фильтрационные свойства горного массива. Изменение фильтрационных свойств массива горных пород в области влияния тектонического нарушения в сочетании с изменением гидрогеологического режима является одной из основных причин активизации карстовых процессов.
Подтверждением данного предположения служат проведенные исследования на объектах подверженных как суффози-онному карсту в песчаных грунтах г. Сургута и дамбы хвостохранилища Качканарского ГОКа, так и в массиве горных пород, представленном известняками на газопроводе Бухара-Урал в Красногорском районе Челябинской области.
На настоящий момент времени представленная методика активно используется при проведении инженерногеологических изысканий под особо сложные сооружения, высотные здания, опоры сотовой связи, строительство мостовых переходов и автодорог в дополнение к стандартному комплексу исследований. Это позволяет надежно установить структурные и геодинамические характеристики массива и ввести коррективы при расчете фундаментов инженерных сооружений, корректировать место расположения для последующего безопасного их строительства и эксплуатации.
— Коротко об авторе ------------------------------------------------------------
Мельник В.В. — зав. лабораторией технологий снижения риска катастроф при недропользовании ИГД УРО РАН, г. Екатеринбург, е-таіі: melnik@igd. игап. га
