Какие следует ожидать размеры провалов на земной повер­хности или в основании сооружения?

Карстово-суффозионно-обвальные (смешанные) 1 Карстово-суффозионные Карстово-обвальные

a

Надежность и точность прогнозирования провалов во многом зависят от характера и достоверности инженерно-геологической информации по району исследования. В первую очередь необходи­мо изучить природу карстового процесса и механизм образования провалов с целью проведения районирования закарстованной тер­ритории по условиям провалообразования. В табл. 16.6 приводит­ся генетическая классификация карстовых провалов с характерис­тикой механизма их образования, разработанная специалистами ПНИИИС и Фрайбергской горной академией (Толмачев, Ройтер, 1990). Из таблицы видно, что на образование провалов оказывают влияние многочисленные факторы, что осложняет прогнозирова­ние и сказывается на его точности.

Прогнозирование провалообразования на базе детерминирован­ных моделей проводится расчетно-теоретическими методами, среди которых отметим методы Г. М. Шахунянца и М. С. Газизова.

Метод Г. М. Шахунянца сводится к расчету сдвижения столба глинистых пород, перекрывающих карстовую полость, по кругло­цилиндрической поверхности (рис. 16.3, а). Механизм этого про­цесса предполагается следующим. В результате сводового обруше­ния в карстовую полость мощность покрывающих связных пород сокращается до критической величины к, при которой под воздей­ствием веса сооружения Р_с и веса вышележащих пород Р_п проис­ходит сдвиг по круглоцилиндрической поверхности высотой h и диаметром окружности (основания цилиндра) d. Предельное рав­новесие наступает при равенстве Р_с + Р_п = Г, где Т — сопротивле­ние сдвигу по поверхности сдвижения. Диаметр провала определя­ется из уравнения

полости; V_b — объем первичной полости, вызвавшей обрушение; М_к — мощность слоя пород, перекрывающих полость; Mf^&x — максимальная мощность связных пород в перекрывающей толще.

Моделирование сдвижения горных пород над выработками на угольных и рудных месторождениях с использованием моделей из эквивалентных материалов изучается в России (в том числе в Пе­тербургском маркшейдерском институте) более 60 лет. Накоплен огромный материал, который был опубликован в специальной ли­тературе по проблемам горного дела и маркшейдерии. При моде­лировании учитывается разный масштаб провалов над карстовыми пустотами и горными выработками, а также разная степень неод­нородности горных пород, залегающих над ними.

Вероятностно-статистические методы прогноза карстовых провалов во многих случаях являются более надежными и целесо­образными, так как карстовый процесс часто обусловлен влияни­ем случайных факторов. В. В. Толмачев установил, что образова­ние карстовых провалов во времени подчиняется закону Пуассона, в соответствии с которым вероятность образования X провалов в год составляет Р (х) = exp (-А) Х^х/х1 Тогда вероятность образова­ния X провалов за время t на площади F с интенсивностью прова­лов А, будет

Р (х) = exp (-AF0 (16.10)

XI

Вероятность того, что на данной территории за время t не про­изойдет ни одного провала, т. е. X = 0, составит Р₀ = exp (-AFr)- Вероятность появления хотя бы одного провала на данной терри­тории за время t составит Р = 1 - Р₀. Показатель интенсивности образования провалов А = n/Ft, предложенный 3. А. Макеевым, определяется как число провалов п, произошедших на территории площадью F (в км²) за время t (в годах), определенное по данным наблюдений в условиях, аналогичных исследуемой территории.

Определение прогнозного диаметра d провалов производится в предположении нормального закона их распределения по выраже­нию , ч

V /

где а — среднеквадратичное отклонение диаметров.

По наблюдениям за старыми и новыми провалами в районе г. Дзержинска выявлена закономерность = ad^h_n (а = 0.36 и Ь = 0.8), позволяющая прогнозировать диаметр d_H новых провалов по извест­ным значениям диаметра d_ст старых.

В качестве критерия карстовой опасности для наземного стро­ительства рекомендуется использовать надежность территории, т. е. вероятность, что на площади F за данное время t_n не появится провал диаметром больше опасногб d_r (в частном случае, d_r > d_c):

Р₀ = exp [—AFf_n( 1 - P_d)]- (16.12)

P_d определяется по интегральной кривой распределения диа­метров провалов, замеренных на данной территории или на анало­гичной ей по геологическим условиям.

Результаты прогнозирования вероятностно-статистическими методами проверялись на примере проведенных исследований в районе г. Дзержинска, где по многолетним наблюдениям накоплен достаточный объем данных для их статистической обработки. Очевидно, что чем больше массив таких данных и чем они надеж­нее, тем ближе к реальным будут результаты прогнозов по стохас­тическим моделям. Прогнозирование в большой степени обслужи­вает проектирование и строительство противокарстовых меропри­ятий, что накладывает на него дополнительную ответственность.

ПРОТИВОКАРСТОВАЯ ЗАЩИТА

Взаимодействие инженерных сооружений с отдельными эле­ментами геологической среды в условиях интенсивного техногене­за практически всегда происходит с участием специальных меро­приятий, роль которых определяется современными требованиями экологической безопасности жизнедеятельности. Закарстованные территории, а также районы, где потенциально возможно развитие карста под техногенным воздействием, все чаще осваиваются че­ловеком с применением противокарстовых мероприятий гео­логического, технологического, конструктивного и другого назна­чения.

По мнению специалистов противокарстовые мероприятия на­правлены на обеспечение двух условий: необходимого — предотв­ращения возможностей катастрофических разрушений и обеспе­чения безопасности людей — и достаточного — сохранения рен­табельности строительства с учетом ущерба от карстовых явлений и расходов на их изучение и инженерную защиту.

Противокарстовые мероприятия подразделяются на три класса (Толмачев и др., 1985): 1) направленные на изменение естествен­ного развития карстового процесса; 2) направленные на защиту зданий, сооружений и людей без изменения естественного карста;

3. ослабляющие влияние человека на рост интенсивности карсто­вого процесса.

Наиболее распространенным мероприятием первого класса яв­ляется тампонаж карстовых полостей и разрушенных массивов горных пород. В гидротехническом строительстве он применяется для устройства противофильтрационных завес под плотинами и в обход них, в горном деле — для уменьшения водопритоков и уве­личения устойчивости закарстованных пород вокруг подземных сооружений, в промышленном и гражданском строительстве — для увеличения несущей способности горных пород в основании зданий и сооружений. Чаще всего в качестве заполнителя приме­няются песчано-глинисто-цементные растворы. За рубежом этот

способ борьбы с карстом получил большое распространение во Франции и Германии.

Из мероприятий второго класса применяются архитектурно­планировочные работы по разнопольному размещению сооруже­ний, исходя из степени карстовой опасности, а также конструк­тивные мероприятия, распространенные в строительной практике. Проведению этих мероприятий посвящен целый ряд нормативных документов (СНиП, методические указания, инструкции и др.).

Мероприятия третьего класса, связанные с ограничением дея­тельности человека, весьма разнообразны, как и сама эта деятель­ность. К ним относятся ограничения откачек подземных вод, гид­роизоляция водопроводящих сооружений, регуляция поверхност­ного стока, строительство эффективных защитных сооружений, организация водоотлива при строительстве и др.

В практике гидротехнического строительства известны приме­ры возведения плотин на закарстованных карбонатных породах, где главным мероприятием защиты являлись противофильтрацион- ные (тампонажные) завесы. Гораздо более сложными являются ус­ловия строительства напорных сооружений, таких как Камская, Рогунская, Нурекская и другие плотины, на соленосных и гипсо­носных толщах пород. На рис. 16.4 приведена схема взаимодейст­вия основания и построенной на нем плотины. Основание, сло­женное горизонтально залегающими скальными и полускальными породами пермского возраста, содержит слой гипса мощностью до 10 м, расположенный на глубине 20—25 м от подошвы фундамен­тов бетонных сооружений, а ниже, в основании доломитов, залега­ет слой гипсов и ангидритов большой мощности. Минерализация подземных вод в верхней части разреза составляет 0.3 г/л, а в до­

ломитах доходит до 7 г/л. В этой геологической обстановке запро­ектировали и построили плотину длиной 2.5 км и высотой более 20 м. Опасность активизации древнего карстового процесса была устранена комплексом сооружений противокарстовой защиты, на­правленных на снижение скорости водообмена в пермской толще загипсованных пород. Для этой цели в основании бетонных соору­жений, где напорные градиенты фильтрационного потока являют­ся самыми высокими, были построены понур длиной более 100 м в верхнем бьефе и водобой в нижнем бьефе. Для ограничения пос­тупления воды из водохранилища в основание была построена противофильтрационная завеса до гипсового слоя, залегающего на глубине 60 м от дна русла р. Камы (рис. 16.4). И наконец, перед бетонной плотиной в аргиллитах, содержащих прослой известня­ка, был заложен ряд вертикальных скважин, из которых произво­дится постоянная откачка воды, поступающей из водохранилища. Эти сооружения защиты выполняют свое назначение уже почти полвека, и в основании гидроузла сформировался техногенный за­стойный горизонт минерализованных вод, практически не раство­ряющий и не выщелачивающий гипсово-ангидритовые породы.

Второй пример демонстрирует негативную роль человека в раз­витии карстового процесса и полное отсутствие противокарстовой защиты. Во Львовской области глины для промышленных нужд добываются на Никольском карьере, расположенном в 60-метро- вой толще верхнего тортона (средний миоцен, Nj), содержащей гипсово-ангидритовые слои. С углублением карьера начал дрени­ровать горизонт подземных вод, получающий дополнительное пи­тание от водохранилища, недавно созданного на небольшой реке. В результате изменился градиент, а следовательно, и скорость фильтрационного потока. По данным химических анализов мине­рализация воды в реке составляла 0.6 г/л, а в карьере 1.9 г/л. Всего за пять лет на земной поверхности между карьером и рекой про­изошли существенные изменения. Так, в 1977 году на ней насчи­тывалось 5 карстовых воронок, а в 1981 году их стало около 300, а водоприток в карьер за этот период достиг 10 тыс. м³/ч. На по­верхности земли в течение 4 месяцев 1981 года сформировалась полоса карстовых деформаций шириной в 1 км. Ориентировочные расчеты показывают, что при существующем различии минерали­зации вод в реке и в карьере прирост объема подземных карсто­вых полостей за год составляет 20 тыс. м³. Карстовые формы (во­ронки, провалы и оседания) на земной поверхности имеют карсто- во-суффозионный генезис.

В качестве противокарстового мероприятия в этом случае можно было применить противофильтрационную завесу, располо­женную вдоль борта карьера, но тогда экономические показатели горного предприятия существенно изменились бы, что могло при­вести к его закрытию. В подобной ситуации необходимы эколого­экономические оценки с учетом карстовой опасности и допускае­мого риска для жизнедеятельности на данной территории.

Приведем еще один пример, в котором негативное влияние че­ловека очевидно. На террасе реки, русло которой проходит по за- карстованным известнякам, была подготовлена строительная пло­щадка административного трехэтажного здания. Под фундаментом залегали аллювиально-делювиальные песчано-глинистые отло­жения мощностью 4—5 м, перекрывающие закарстованные извест­няки. Грунтовые воды дренируются рекой, и на строительной площадке глубина их залегания составляла 7—8 м. Расстояние от площадки до склона реки около 1 км. По данным инженерных изысканий условия строительства оценивались как простые и бла­гоприятные. Для нужд строительства к площадке был подведен временный водопровод от речного водозабора. Площадка была вы­ровнена и подготовлена для закладки ленточных фундаментов на­кануне выходного дня. В понедельник утром на площадке была обнаружена воронка глубиной 1.5—2 м и диаметром 8 м, в центре которой находился открытый кран временного водопровода. Поче­му и кто его открыл и оставил открытым, выяснить не удалось, но при обходе объекта была обнаружена грунтовая масса на берегу реки, вынесенная туда техническим потоком с основания будуще­го здания. Часть этой массы попала в реку и была унесена ее во­дами, поэтому оставшаяся по объему была меньше объема сфор­мировавшейся воронки. В проекте строительства административ­ного здания были предусмотрены дополнительные мероприятия по защите территории от ее возможного обводнения, в результате ко­торого в период эксплуатации возникнет и разовьется карстово- суффозионный процесс с более опасными последствиями.

a

.у^ув

Если провести откачку воды из водоносного горизонта до пол­ного его истощения, то тогда Л_е = 0 и Р_е = yh. Если учесть, что у примерно в два раза больше Y> то становится очевидной возмож­ность уплотнения пород. Покажем это с помощью эпюр распреде­ления уплотняющих (эффективных) напряжений (рис. 17.1,6). Эпюра 1 соответствует естественным условиям при положении уровня грунтовых вод на отметке ЕУВ. Ниже этой отметки дейст­вует закон Архимеда, поэтому расчет напряжений ведется с уче­том взвешивания водосодержащих пород, т. е.

Более точно расчет величин оседания проводится с учетом го­ризонтальных напряжений и деформаций, т. е. для условий двух- и трехмерного сжатия по выражениям, полученным из обобщенного закона Гука:

⁵к, = ^тг ⁵к, = [^Лог, - И, (До, - До,)] j- (17.5)

При прогнозе оседания земной поверхности в результате уп­лотнения глинистых пород возникают осложнения, связанные с их фильтрационными и реологическими свойствами, которые опреде­ляют мощность сжимаемых пород (а следовательно, величину ко­нечной осадки), природу процесса уплотнения и скорость его про­текания (консолидации). Значение начального градиента фильтра­ции зависит от состава и плотности глинистой породы и иногда достигает 30—70. Для возникновения фильтрации в такой глине, подстилающей дренируемый водоносный горизонт в зоне мощ­ностью 2 м, необходим напор воды в поровом пространстве глин соответственно 30—70 м.

Если, согласно теории фильтрационной консолидации, допус­тить, что изменение давления за счет водопонижения вызывает такое же давление в поровой воде рассматриваемой глины, т. е. Aa_z = и, то уплотнение за счет отжима воды начнется при пониже­ниях ее уровня на 30—70 м и захватит, как показывают наблюде­ния, только верхнюю часть слоя глин мощностью до 1 м. Обычно мощность сжимаемого слоя составляет т_с = h_t/I₀. В этом случае говорят о том, что коэффициент порового давления а = Aa_z/u близок к единице. Однако наблюдения многих исследователей по­казывают, что для большинства глинистых пород (особенно для плотных) этот коэффициент меньше единицы, а иногда не превы­шает 0.1—0.2. Отсюда следует, что процесс уплотнения не будет возникать во многих глинистых разновидностях или будет иметь место только на границе между водоносным горизонтом и слоем глин при давлениях больше Aa_z, определенных по эпюрам (рис. 17.1, б). А это требует специальных исследований и наблюде­ний на моделях и в натуре.

Возникновение процесса уплотнения в глинистых породах и его величина зависят еще от их структурной прочности /?_стр, опре­деляемой по компрессионным кривым. Структурная прочность со­ответствует давлению начала уплотнения и для различных глинис­тых пород составляет от 0.05 до 1.0 МПа. В случае Аа_г < /?_стр уп­лотнения не происходит.

Таким образом, с позиции теории фильтрационной консолида­ции процесс уплотнения глинистых пород можно рассматривать только в слабых разновидностях с невысоким содержанием гли­нистой фракции, залегающих на небольших глубинах от земной поверхности, на дне водоемов, а также в гидроотвалах разного способа складирования. По исследованиям Р. Э. Дашко начальный

градиент фильтрационной консолидации составляет /_Нф_К =10 Vm~, где М_с — содержание глинистой фракции в %, что определяет гра- ницы ее изучения. В рамках консолидации можно прогнозировать продолжительность процесса уплотнения и степень его завершен- ности (степень консолидации), представляющую отношение вели- чины осадки на данный момент времени к ее конечному значению. Исходное дифференциальное уравнение для решения поставлен- ных задач имеет вид:

C_v —= -, (17.6)

где C_v = —■* ^{+ <}^ — коэффициент консолидации глины; к — коэф-

фициент фильтрации; а — коэффициент сжимаемости; Н = —■ —

напор поровой воды в глине; г — длина пути фильтрации; X — время уплотнения.

Решение уравнения (17.6) с помощью рядов Фурье при фанич- Да

ных условиях: 1 )Н = ~z~- 1 = 0, 0 < г £ т\ 2) Н = 0, t * 0, г = т

дает выражение для осадки в заданный момент времени:

/ Л

аот

(17.7)

Рассмотрим некоторые примеры оседания земной поверхности в результате водопонижения при разработке угольных и рудных месторождений.

Первый пример относится к Подмосковному угольному бассей­ну при строительстве Козельских шахт № 1 и 2. Гидрогеологичес­кий разрез участка шахты № 2 показан на рис. 17.2. Надугольная толща мощностью 30—40 м сложена песками и глинами тульской свиты, перекрытой четвертичными отложениями. В основании уг­леносных отложений на глубину 40 м залегают трещиноватые упинские известняки. Подземные воды находятся в надугольных песках (надугольный водоносный горизонт) и в трещиноватых из­вестняках (подугольный напорный горизонт). Коэффициенты фильтраций и первоначальные напоры равны соответственно 8 м/сут, 12—18 м и 18 м/сут, 22 м. Водопонижение началось в рай­оне околоствольного двора скважинами из обоих водоносных го­ризонтов. За два года было откачано около 1.5 млн м³ воды из надугольных песков и более 3 млн м³ воды из известняков. При работе семи водопонизительных скважин за год было откачано 2 млн м³ воды.

В результате водопонижения в надугольных песках сформиро­валась депрессионная воронка глубиной 14—15 м, радиусом 700— 800 м и площадью 120—150 тыс. м². В упинских известняках на­пор был снижен на 18—20 м, воронка имела радиус 2.3—2.5 км, а ее площадь составила 350—400 тыс. м². Оседание земной поверх­ности было обнаружено при повторном нивелировании устьев дре­нажных скважин, и его максимальная величина оказалась равной

8. 87 м в районе наибольшего снижения напоров водьг. Скорость оседания составила от 30 до 36 см в год при скорости снижения напоров от 6—10 м в песках до 8—17 м в известняках. Интересно отметить, что отношение величины оседания земной поверхности к снижению напоров воды изменялось от 0.032 (по отношению к напорам в известняках) до 0.051.

м

О

100

200

300

400

500

600

Рис. 17.4. Разрез дренируемой толщи Белозерского железорудного мес­торождения.

1,3 — водоносные пески; 2 — глинистые породы; 4 — мергельно-меловая толща;

5 — кристаллический фундамент.

ков в дренажные системы необходимо учитывать дополнительное количество воды, поступающей за счет отжатия ее из водоупорных пород.

Анализ результатов выполненных исследований и наблюдений процесса оседания в результате дренирования подземных вод дает возможность сделать несколько теоретических и практических выводов.

1. Снижение напоров подземных вод в результате их дрениро­вания приводит к изменению естественного гравитационного на­пряженного состояния водоносных и водоупорных пород.

В водоносных породах в результате откачки быстро проис­ходит рост эффективных напряжений, а в глинистых водоупорных формируется поровое давление, величина и скорость рассеивания которого зависят от ряда факторов и прогнозируются сложно.

Деформации в горных породах, находящихся под воздейст­вием нового напряженного состояния, имеют разную природу. Они могут быть упругими, протекающими мгновенно под влиянием эф­фективных напряжений в минеральном скелете, а также за счет упругого сжатия воды, и остаточными, возникающими в результа­те закрытия трещин или уплотнения с отжатием поровой жидкос­ти и подчиняющимися закономерности фильтрационной консоли­дации и ползучести системы минеральный скелет—вода.

Снижение напоров воды в относительно водоупорных поро­дах, т. е. рассеивание порового давления и рост эффективных на­пряжений, наблюдается при градиентах, превышающих начальные для этих пород. Точное определение величин снижения напоров возможно только в натурных условиях. Мощность пород, подвер­гающихся уплотнению на границах с водопроницаемыми слоя­ми — дренами, определяется как частное от деления величины снижения напора воды в водоносном горизонте на величину на­чального градиента т_с = АН/1₀. При определении условий возни­кновения остаточных деформаций следует учитывать структурную прочность в сжимаемых породах, до преодоления которой дефор­мации носят упругий характер.

При прогнозировании скорости оседания (консолидации) не­обходимо исходить из существования для разных пород, по край­ней мере, двух этапов этого процесса: первичной, фильтрацион­ной, консолидации и вторичной, реологической, за счет ползучести скелета.

При уплотнении относительно водоупорных глин происхо­дит отжатие большого количества воды, которое следует учиты­вать при прогнозных оценках водопонизительных и водоотводя­щих систем.