Стационарные наблюдения за карстопроявлениями на Уфимском карстовом косогоре

Уфимским карстовым косогором называется часть правого склона долины р.Белой в г.Уфе, по которому проходит железная дорога Куйбышев-Уфа-Челябинск на отрезке от 1622 до 1629 км. Косогор, площадью около 7 км², представляет собой крутой, в нижней части обрывистый склон долины р.Белой высотой до 100 м, который доходит местами непосредственно до русла реки, а участками резко сочленяется с речными террасами. В верхней части склон также резко пере­ходит в выположенное, платообразное Уфа-Бельское водораздельное пространство, абсолютные отметки которого у бровки склона состав­ляют 160-180 м. В геологическом строении косогора принимают учас­тие гипсы кунгурского яруса, обнажающиеся в обрывистых частях , склона долины р.Белой и склонов оврагов. Они согласно перекрыва­ются отложениями уфимского яруса, разрез которого представлен соликамской и шешминской свитами. В строении первой (до 35 м) преобладают глины, мергели, тонкие прослои доломита, второй (до 40 м) - известняки, доломиты и песчаники с прослоями алевролитов и арги­ллитов. Кровля гипсов кунгурского яруса на косогоре имеет волнисты характер, при этом поднятия ее наблюдаются на межовражных участках, а опускания - в оврагах. Амплитуда колебания отметок кровли гипсов достигает 15-20 м, а падение пластов в наиболее крутых частях складок 10-14°.

Из экзогенных геологических процессов (ЭГП) на Уфимском косо­горе развиты эрозионные и оползневые процессы, а также обвальный и осыпной, но наибольшее распространение получил карст.

Активные проявления карстового процесса на косогоре известны еще с середины ХVΙΙΙ века. Однако более или менее достоверная инфор­мация о карсте появилась в последние сто лет. Она накапливалась в ходе проектирования, строительства и эксплуатации железной дороги. Сведения о карстовом процессе косогора в гипсах кунгурского яруса имеются практически во всех отчетах и печатных работах, которые касаются вопросов геологии территории г.Уфы и его окрестностей.

Наиболее ценные сведения, обобщения и выводы сделаны Д.Л.Ивановым (1899), О.И.Ожигановой (1940), М.И.Толстихиной (1943), Г.Г.Скворцовым(1945), С.И.Ткаличем (1948-1958 гг.), В.И.Мартиным (1962), В.Ф.Ткачевым (1976) и др.

Активность развития карстового процесса на косогоре, относительно высокая степень его изученности по сравнению с другими частями территории и необходимость хозяйственного освоения участка предопределили постановку здесь стационарных наблюдений за карстопроявлениями.

Сведения о карстовых провалах и воронках Уфимского косогора, впервые были обобщены горным инженером Д.Л. .Ивановым в 1893-1896 гг. в ходе оценки устойчивости, железнодорожного полотна. В 1941-1945 гг. в процессе инженерно-геологических изысканий экспедиций "Транспроекткарьера" под руководствам Г.Г.Скворцова, а затем 1946-1950 гг. при изучении режима подземных вод Уфимской гидрогеологической станцией (А.Н.Фонарев, С.П. Ткалич) проводились ежегодные наблюдения за образованием карстовых воронок. С 1960 г. систематические наблюдения за деформацией железнодорожного полотна на косогоре про­изводятся Уфимской дистанцией пути Куйбышевской железной дороги, а с 1976 г. режимные наблюдения за развитием карстопроявлений на косо­горе ведутся Башкирской комплексной гидрогеологической и инженерно- геологической партией ПГО "Башкиргеология".

Наблюдения за карстопроявлениями были начаты со сбора материалов. Все выявленные по литературным и фондовым материалам карстопроявления были обследованы на местности и на каждую карстовую воронку была заведена учетная карточка (приложение I), где указы­вается ее номер, привязка, геоморфологическое положение, время образования (при наличии точных данных) и приводятся формы и раз­меры на момент первоописания. Кроме этого, было произведено сплош­ное обследование косогора с целью выявления и описания всех повер­хностных карстопроявлений и других форм ЭГП и составлена карта пораженности Уфимского косогора ЭГП. В последующем сплошное обсле­дование косогора проводилось ежегодно два раза - весной после снеготаяния и осенью перед установлением мерзлого слоя с целью выявления новых карстопроявлений и фиксации изменений в форме и размерах всех существующих и ранее описанных. Зафиксированные изме­нения в морфологии и морфометрии воронок путем их обмера тесьмяной рулеткой заносятся в учетные карточки. При этом ежегодное обследование косогора производилось с использованием топоосновы масштаба 1:2000, а с 1985 г. - 1:500. С 1979 г. изменения по активноразвивающимися карстопроявлениями фиксируются инструментально - методом ежегодной мензульной съёмки по закрепленным опорным точкам(штырям) и грунтовым реперам. С этой целью на косогоре установлено 98 металлических реперов, бетонированное основание которых заглублено на 1,5-1,8 м. По результатам инструментальных обмеров форм ЭГП составляются их планы и разрезы, которые при наложении разновременных съёмок дают наглядное представление об изменении их размеров. Кроме фиксации изменений размеров и форм ЭГП, на косогоре ведутся наблюдения за химическим составом

вод родников и ручьев поглощающихся в карстовых воронках.

Выполненный комплекс стационарных наблюдений за карстопроявлениями на косогоре позволили сделать некоторые выводы о степени активности развития и проявления на поверхности карстового процесса, изложенные в отчетах за 1981 (Ткачев В.Ф., Смирнов А.И., Прошкин И.В.), 1986 (А.И. Смирнов, В.Ф. Ткачев) и 1989 (Смирнов А.И., Нагуманов Д.Г., Ткачев В.Ф.) годы. Основные из них следующие.

Ι. В настоящее время в пределах Уфимского карстового косогора зафиксировано около 250 поверхностных карстопроявлений, основная часть из которых представлена воронками. Общая степень пораженности территории косогора составляет около: 0,28%, при 35,7 воронках, приходящихся на 1 км² площади. Наибольшая пораженность поверхностными карстопроявлениями наблюдается в днищах оврагов, в пределах которых они занимают от 3 до 13% площади. При этом наиболее пораженными являются выположенные участки днищ оврагов, где поверхностные водотоки поглощаются в понорах, и где гипсы кунгурского яруса перекрыты маломощным (до 10 м) чехлом делювиально-пролювиальных отложений. На склонах оврагов, сложенных отложениями шешминской свиты, воронки распространены ограниченно, коэффициенты пораженности воронками составляют 0,04-0,66%. В 10-100 раз выше поражены воронками склоны оврагов, сложённых с поверхности отложениями соликамской свиты, причем располагаются они на таких участках на выположенных нижних или верхних частях склонов. Части склонов оврагов крутизной более 5°, даже в местах, где гипсы выведены на поверхность, часто лишены карстовых воронок. Склон долины р.Белой на участках, не затронутых овражной эрозией, при любых условиях залегания пород и крутизны его поверхности имеет в основном низкие коэффициенты пораженности карстовыми воронками от 0,001 до 0,03%, крайне редко на отдельных участках они достигают 1-2%. Межовражные водораздельные пространства, где мощность покрывающих гипсы отложений составляет 40-70м, практически лишены поверхностных карстопроявлений.

Таким образом, степень пораженности поверхностными карстопроявлениями на косогоре находится в обратной зависимости от мощности покрывающих карстующиеся гипсы отложений и от уклона местности.

2. На современном этапе карст на Уфимском косогоре наиболее активно проявляется на поверхности в пределах участков, где пораженность воронками наибольшая. Так, за последние 13 лет из 26 образовавшихся за этот период воронок 14 (54%) приурочено к днищам оврагов, по 4 (15%) воронки образовались на склонах и в подножье косогора, по 2 (8%) в пределах железнодорожного полотна и на межовражных водораздельных пространствах. Причем в последнем случае, образованию одной воронки способствовал сброс воды из водопровода, а вторая образовалась над небольшой пещеркой, развитой в прослое известняков шешминской свиты.

Около 90% образовавшихся с 1976 по 1988 гг. поверхностных карстопроявлений представлены провалами. На момент образования все они имели котло- или котлообразную форму с нависающими бортами и увеличивающимся поперечником ко дну. Размеры их сравнительно невелики. Максимальный средний поперечник провалов составляет 1,7 м,

а глубина 1,2 м тогда, как средний поперечник всех зафиксированных воронок на косогоре равен 10 м при средней глубине 3,0м. За последние 13 лет среднегодовое количество вновь образовавшихся провалов на косогоре составило 0,3 случая на 1 км² , а среднегодовая поражаемость территории косогора, рассчитанная по методике И.А.Саваренского, составила 0,00006%. При такой интенсивности провалообразования условный отрезок времени, за кото­рый могли бы образоваться все существующие на косогоре воронки составляет 4667 лет. Условное снижение земной поверхности за счет образования воронок с 1976 по 1988гг. составила 0,0006 мм/год, а с 1915 по 1946 гг. по данным Г.Г.Скворцова (1945) около 0,3 мм/год.

То есть, в настоящее время наблюдается значительно меньшая интенсив­ность провалообразования, чем 40-70 лет тому назад.

Около 70% провалов образовалось весной или ранним летом. Четкой прямой зависимости интенсивности провалообразования от количества атмосферных осадков не выявлено. Однако, собранный материал за карстовым провалом косогора за последние 100 лет показывает, что наиболее часто они возникают в год с повышенным количеством атмосферных осадков в сравнении со срёднемноголетним их значением или в последующий за ним более засушливый год. Причем, году с повышенным среднемноголетним количеством атмосферных осадков в этом случае предшествует год с пониженным их значением сравнении со среднемноголетним (рис. 1).

3. Активному развитию карста на Уфимском косoгope способствует поглощение в понорах поверхностных водотоков, на что указывал ещё Г.Г Скворцов (1945) и, что подтверждается на современном этапе наиболее частым образованием провалов и интенсивным изменением размеров и форм воронок, расположенным ниже мест поглощения вод. Дефицит насыщения, поглощающихся в понорах поверхностных вод, по отношению к сульфату кальция составляет 1740- 2040 мг/л. По мере движения вод в гипсах он уменьшается, что наблюдалось нами в северной части косогора. В одном из оврагов (рис.2) ручей, берущий начало от выходов подземных вод из отложений уфимского яруса, в 150-180 м от истоков поглощается в карстовой воронке (абс. отм. 119 м). Пройдя подземными каналами около 280 м, поглощенные воды ручья появляются в другой воронке (абс. отм. 94 м), расположенной в подножье правого склона оврага, в её восточном борту, а в западном - вновь поглощаются и появляются вновь на поверхности через 250 м уже в пойме долины р. Белой (абс. Отм. 81 м). При этом результаты химических анализов показали увеличение общей минерализации воды за счет ионов SО₄, Са и Мg с 625-789 мг/л до 1925-2099 мг/л, при изменении состава вод с гидрокарбонатного кальциево-магниевого в сульфатный магниево-кальциевый, и почти полной потере агрессивных свойств. То есть, поглощенные воды ручья, пройдя подземными каналами в гипсах кунгурского яруса, потеряли свои агрессивные свойства, через 0,5-0,6 км пути. Наиболее интенсивное насыщение сульфатом кальция при этом наблюдается на первых 200-300 м пути, однако по мере разработки подземных каналов в гипсах и увеличении скорости движения вод насыщение их сульфатом кальция растягивается на более значительное расстояние. Так, систематические наблюдения за хим. составом и скоростью поглощающихся и вновь появляющихся на поверхности вод ручья показали, что на верхнем отрезке за последние 7 лет ско­рость подземных вод, определенная путем их подкрашивания, увеличилась в 3 раза: от 0,09 м/с (7,8 км/сут) в 1981 г. до 0,14 м/с (12,1 км/сут) в 1985 г. и до 0,26 м/с (22,5 км/сут) в 1988 г. При этом практически неизменной величине дефицита насыщения вод сульфатом кальция в месте первого поглощения вод ручья (около 1750 мг/л), величина его в 1985 составила 640 мг/л, а в 1988 г. 1200 мг/л. Таким образом, увеличение скорости прохождения вод через гипсовый массив повлекло за собой увеличение на этом отрезке дефицита насыщения их сульфатом кальция. То есть, агрессивность вод при большей, скорости сохраняется при прочих равных условиях на большом расстоянии.

4. По неполным данным за последние 100. лет на Уфимском косогоре образовались 143 воронки, из них 90 (62%) возникло в пределах железнодорожного полотна или в непосредственной близости от него, 4 (28%) - в днищах оврагов, древних воронках и у подножья косогора, 15 (10%) - на склонах оврагов и межовражных водораздельных пространствах. За последние 13 лет соответственно образовалось 2,18 и 6 воронок. То есть, на современном этапе частота образования воронок вдоль железнодорожного полотна значительно уменьшилась, хотя вибрационно-динамические нагрузки на полотно дороги из-за увеличения веса и скорости движения составов усилились. В связи с этим сделано предположение (Смирнов, Ткачев, 1986), что первоначально создание, насыпи дороги и начавшееся движение по ней поездов способствовали активизации обрушения естественных перекрытий над скрытыми карстовыми. полостями за счет увеличения веса пород над ними и возникновения вибрации. В дальнейшем большинство из скрытых полостей (после образования над ними провалов) заполнились материалом насыпи дороги и не проявлялись на поверхности столь часто. Происходит это в силу постепенного и постоянного заполнения расширяющихся старых и вновь обра­зующихся полостей материалом насыпи, дороги из-за постоянного ее "встряхивания", вызываемого движением железнодорожных составов и периодической их подсыпки балластом. Данное положение находит от­ражение не только в уменьшении частоты возникновения провалов вдоль железной дороги в последнее время, но и в уменьшении их размеров. Так, за последние 15лет поперечник и глубина провалов вдоль железнодорожного полотна ив пределах его не превышает 2 м. В первые же 50-60 лет эксплуатации дороги поперечник и глубина провалов нередко превышали 3-5 м, а наиболее крупный провал произошел 28 апреля 1927 г. на 1623 км, глубиной 13-14 м, захвативший склон насыпи и нечетный путь площадью в 1500 м². То есть, одна и та же хозяйственная деятельность человека (строительство и эксплуатация железной дороги) с течением времени сказывается неоднонаправленно на проявление на поверхности карста.

Таким образом, в процессе стационарных наблюдений на Уфимском карстовом косогоре получены некоторые сведения об активности провалообразования здесь на современном этапе. Продолжение их, с применением более широкого диапазона методов, позволит собрать необходимую информацию для прогноза провалообразования.

Приложение 1

Учетная карточка №198

Форма карстопроявления и ее номер	Воронка 14/54
Местонахождение	Уфимский карстовый косогор, 1626 км ПК 6+88 м. Куйб.ж.д.248 м к югу (185°) от входного отверстия тоннеля под ж.д. полотном
Положение в рельефе	Плоское днище оврага, в подножье его правого склона, абс.отм.120 м
Время образования и, предшествующие ему обстоятельства	Май 1983 г., сразу же после снего­таяния в овраге
Обнажающиеся, в бортах (стенках, склонах) горные породы	Суглинки со щебнем известняка, доло­мита и песчаника
Краткое описание на момент первого обследования	Мешкообразной формы размерами с повер­хности 0,9x1,0 м, увеличивающиеся ко дну до 1,5x2,0 м. Глубина по центру 1,7 м
Дополнительные сведения	Воронка расположена на пути подзем­ного потока, в 100 м ниже места поглощения ручья в поноре

План и разрезы на момент первого обследования и на фиксированные даты повторных посещений

Продолжение приложения 1

Оборотная сторона учетной карточки

Дата	Ф.И.О., проводивших повторное обследование	Результаты обследования (зафиксированные изменения в размерах и форме)
25.10.83	Смирнов А.И., Неклеенова Т.И.	Без существенных изменений с момента первоописания
11.05.84	Смирнов А.И., Неклеенова Т.И.	Осыпание нависающих частей бортов . Размеры с поверхности 1,4x1,6 м, глубина по центру 1,3 м
23.10.84	Соколов Ю.В., Смирнов А.И.	Без существенных изменений с момента предыдущего обследования
26.04.85	Соколов Ю.В., Неклеенова Т.И.	Без существенных изменений с момента предыдущего обследования
23.08.85	Соколов Ю.В., Попова Т.А	Углубилась до 3,5 м за счет вторичного провала дна. С поверхности - округлая, диаметром 1,8 м с нависающими бортами, поперечник по дну - 2 м (см.рис. на обороте)
11.05.86	Неклеенова Т.И., Попова Т.А.	Увеличение размеров с поверхности до 2,8x1,8 м. Вытянута по аз. 2660. Борта со средних частей нависающие, глубина уменьшилась до 1,3 м за счет обрушения бор­тов и; наносов, поступающих в воронку с днища оврага
14.10.86	Смирнов А.И., Нагуманов Д .Г.	Увеличение размеров воронки с поверхности до 3,0х3,2м, глу­бина 1,2 м. Котлообразная с нависающими бортами. Дно плоское, в западном борту - понор глуби­ной- 0,6 м
13.05.87	Смирнов А.И., Нагуманов Д .Г.	Без существенных изменений с момента предыдущего обследования
12.10.87	Нагуманов Д .Г. , Попова Т.А	Увеличение глубины до 1,8.м, при неизменной морфологии и размера с момента предыдущего посещения
06.05.88	Нагуманов Д .Г., Лизон O.М.	Без существенных изменений с момента предыдущего обследования. Глубина 1,65 м
24.10.88	Нагуманов Д .Г., Лизон O.М.	Увеличение размеров ,с поверхности до 3,2x3,6 м. Глубина 1,5 м. Борта нависающие, дно плоское

Новости промышленного строительства

/Реф. Информация.- М.: Минпромстрой СССР- 1970, N6.- с.3-5/

В.Р. Симоненко, И. Б. Рогоза