Защита от абразии

Строительство в районе водохранилищ должно осуществляться за пределами полос размыва, согласно прогнозу и оценке абразионных процессов в береговой части. В тех случаях, когда размыв всё же угрожает целостности сооружений, берега следует укреплять. Способы укрепления практически те же, что в морях и озерах – подпорные стены, каменные наброски, тетраподы и т.д.

Глава 15. Геологическая деятельность подземных вод.

15. Геологическая деятельность подземных вод.

Подземные воды, движущиеся в порах, пустотах и трещинах горных пород, в определённых условиях могут разрушать структуры, передвигать мелкие частицы, переводить частицы дисперсных грунтов во взвешенное состояние. Часто всё это происходит одновременно, но в зависимости от состава пород и условий движения воды, с различной интенсивностью.

Возможные последствия разрушительной работы учитывают при проектировании объектов, а также принимают во внимание возможное их проявление в период эксплуатации сооружений.

Среди геологических процессов, порождаемых подземными водами, важнейшими являются суффозия, карст и плывуны.

15.1. Суффозия.

Под механической суффозией понимают механический вынос (вымывание) потоком подземных вод мелких (глинистых, пылеватых, песчаных) частиц из дисперсных горных пород во взвешенном состоянии. Под химической суффозией понимают растворение водой минералов в горных породах и вынос их в виде раствора.

Две основных причины механической суффозии:

1) превышение величин некоторой критической скорости движения воды или превышение величины критического уклона фильтрационного потока воды.

2) наличие разнозернистых (неоднородных) песков или наличие разнородных по гранулометрическому составу пористых горных пород, например, супесчано-суглинистых со значительной примесью песчаных и пылеватых частиц.

Суффозионные процессы наиболее часто возникают на склонах речных долин, в тальвегах оврагов, на берегах водохранилищ, в откосах выемок, на орошаемых территориях, т.е. там, где гидравлические градиенты повышаются по сравнению с окружающей территорией. Суффозионные процессы могут также возникнуть и при откачке подземных вод, а иногда при прокладке дренажных и водоотводящих систем. Суффозия может происходить в разных породах.

В результате выноса мелких частиц и грунтового массива в этом массиве происходящее позднее уплотнение пород ведёт к оседанию поверхности (рис. 64), а иногда даже к её провалам.

Рис. 64. Оседание поверхности

Оседания – деформации поверхности грунтов, вызванные карстово-суффозионными процессами, разработкой подземных выработок и др.

Бывают ситуации, когда процессы и механической и химической суффозии протекают вместе и сливаются в один процесс.

Химической суффозии подвержены лёссовые отложения, которые на равнинах России имеют широкое распространение. Например, на орошаемых землях дельт рек Терека и Сулака (Прикаспий) за счёт инфильтрации воды и перепада её скоростей на границе супесчано-суглинистых отложений (лёссов) с озерно-аллювиальными трещиноватыми глинами в ряде мест образовались крупные провалы земли, что нарушило работу оросительных систем и частично дорожной сети. В районе Волгограда многие оползни связаны с суффозионным выносом песка грунтовыми водами из лёссовых толщ. На рис. 67 показан случай образования суффозионной полости в лёссовой толще в г. Ростов-на-Дону. В лёссовидных, имеющих повышенную пористость, суглинках (2) протекает вода, которая растворяет карбонатный цемент между частицами лёсса. Эта вода движется по кровле водоупора (скифская глина) (3). На склоне рельефа этот водоупор выклинивается, и грунтовая вода уже с существенно большей скоростью течёт вниз в известняки–ракушечники (4). В месте перепада скоростей образуется сильный суффозионный процесс – процесс выноса частиц лёссовидного суглинка в карстовые полости известняка, создающий в лёссовой толще полости (5) и, в конечном итоге, провалы на поверхности земли.

Суффозия может возникать и над подземными коммуникациями. Например, при авариях водопроводных систем, вода, вырываясь из труб под давлением, размывает грунт. Не лучше дело обстоит, если утечка мала, но постоянна, т.к. аварийные службы могут не отреагировать на эту небольшую течь и не ликвидировать её. Прорывы и просачивания подземных и поверхностных вод в тоннели и коллекторы тоже увлекают за собой частицы грунта через дефекты в обделке (рис. 65).

Рис.65. Оседание поверхности из-за попадания песчаного грунта в коллектор

Меры борьбы с суффозией. При строительстве на суффозионноопасных участках в зависимости от ситуации необходимо: 1) проводить изменение свойств грунтов (изменение фильтрационных параметров потока подземных вод) методами технической мелиорации – силикатизацией, цементацией, глинизацией, т.е. нагнетанием в грунт твердеющих растворов, а также уплотнение трамбованием. 2) осушение грунтов основания и защита их от проникновения вод, например, регулированием стока поверхностных вод; 3) перекрытие мест выноса частиц грунта или тампонирование выходов подземных вод на поверхность земли; 4) строить на свайных фундаментах, прорезающих суффозионные грунты.

15.2. Карст (карстовый процесс).

Карст (от нем. Karst – название известнякового плато в Австрии и в Словенских Альпах, где впервые были широко обнаружены и изучены явления образования пустот в скальных породах). Немецкое название этого плато стало нарицательным для обозначения этого явления во всём мире.

Выщелачивание – процесс избирательного растворения и выноса подземными водами растворимых компонентов горных пород.

Карстовый процесс- это процесс выщелачивания горных пород, т.е. процесс, обусловленный растворимостью горных пород.

Следовательно, для возникновения и интенсивного протекания этого процесса необходимо выполнение следующих основных условий:

1) наличие массива растворимых горных пород,

2) движущиеся поверхностные или подземные воды определённого химического состава.

Карст – это, прежде всего, процесс растворения горных пород и поэтому его иногда называют «химической суффозией».

Карстовые процессы имеют на территории России широкое распространение. Это западное Приуралье, Русская равнина, Приангарье и во многих других местах Сибири, Кавказа, дальнего Востока. Расположение карстующихся пород на Европейской территории СССР, Урала и Кавказа показано на рис. 66.

Среди горных пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы с ангидритами и известняками, но скорость растворения у них различная. Так, если для растворения одной части каменной соли (галит, NaCl) достаточно трёх частей воды, то для гипса (CaSO₄), нужно уже 480 частей, а для известняков (CaCO₃) – от 1000 до 30000 частей воды, а это означает, что в природных условиях процесс карстования массивов этих пород растягивается на очень многие годы. Растворяющее действие воды на карбонатные породы усиливается содержанием свободной углекислоты, а гипс сильнее растворяется солоноватыми водами, тогда как соли интенсивнее растворяются в слабоминерализованной воде и тем сильнее, чем она по составу ближе к дистиллированной. Помимо этого растворяющее действие воды связано с повышенной температурой, скоростью движения и наличием трещин в карстующихся породах. Очень большое влияние на развитие карстовых процессов оказывает климат, т.е. количество и распределение атмосферных осадков по сезонам года, тепловые характеристики карстующихся пород. Так, например, на Урале до 50% карбонатных солей выносится водами весной.

Рис. 66. Схематическая карта закарстованных пород

Процесс растворения наиболее активно протекает в породах, имеющих много трещин, и расположенных выше уровня подземных вод. Ниже этого уровня воды уже могут быть насыщены солями, скорость движения воды весьма невелика и карстовый процесс происходит очень медленно, либо вообще не происходит и, более того, трещины в горных породах здесь могут цементироваться различными веществами, которые переносятся подземными водами. В связи с этим в массивах карстующихся пород выделяют две зоны: – верхнюю, где в основном происходит растворение и нижнюю, которую называют зоной цементации. В геологическом отношении различают два типа карста: – открытый (средиземноморский), при котором растворимые породы лежат на поверхности земли и закрытый (восточноевропейский), когда массивы карстующихся пород перекрыты нерастворимыми породами, как правило, четвертичного возраста.

Рис. 67. Карст и суффозия. Суффозионная полость с провалом в толще лёссовых пород:

1 – автодорога; 2 – лёссовидный суглинок; 3 – водоупор (скифская глина);

4 – известняк трещиноватый закарстованный; 5 – полость.

Следует отметить, что под карстом часто понимают не только процесс, но и его результат, т.е. специфические формы, образующиеся в породах в результате растворения. Для открытого типа карста характерны такие формы, как карры, воронки, полья, а для закрытого типа – каверны и пещеры.

Карры – мелкие борозды и канавы на склонах рельефа, образованные в основном выщелачиванием известняков поверхностными атмосферными водами.

Глубина их изменяется от 5 до 50 см и редко достигает 1-2 м.

Воронки– замкнутые углубления различной формы и размеров. Их диаметр колеблется от нескольких метров до десятков метров, а глубина чаще всего изменяется в пределах 5-20 м.

Провалы – деформации поверхности земли, образующиеся вследствие обрушения породы над карстовыми пустотами или над горными выработками

По происхождению они подразделяются на: 1) воронки поверхностного выщелачивания; 2) провальные воронки (рис. 68, рис. 69). Первые напоминают воронку от взрыва снаряда или бомбы и образуются за счёт выщелачивания карстующихся пород атмосферными водами на отдельных участках с постепенным углублением. Обычно на дне таких воронок располагается понор – канал, по которому уходит вода. Провальные же воронки возникают в результате обрушения кровли подземных пустот, карстовых пещер (рис. 68 а) или рудников (рис. 68 б). Так, например, в 2007 году в г. Березники (Пермский край) на территории фабрики технической соли возник карстовый провал по причине повышенного притока подземных вод в рудник и растворения солей. Это пример соляного карста, который стал активно развиваться из-за техногенного влияния.

Рис. 68 а. Образование провала в результате обрушения кровли подземной пустоты

Рис. 68 б. Город Березники. Образование провала в результате растворения стен рудника и обрушения его кровли

Полья – воронки неправильной, обычно вытянутой формы, образующиеся в результате объединения поверхностных или, что реже, провальных карстовых воронок

Полья могут простираться на десятки и сотни метров, при глубине в несколько метров.

Каверны – мелкие, но многочисленные подземные пустоты, которые образуются по трещинам пород, где активно фильтруется вода.

Породы становится похожими на пчелиные соты. Каверны соединяются друг с другом и другими пустотами за счёт токов воды.

Пещеры – крупные подземные пустоты различной формы и размеров, как по площади, так и по высоте потолков.

Наиболее крупная пещера в Северной Америке (Флинт-Мамонтова), которая со всеми ответвлениями имеет общую длину до 341 км. Площадь одного из залов имеет 163х87 при высоте потолка в 40 м, в ней текут три реки и действуют 8 водопадов. На Кавказе (Новый Афон) имеется пещера с высотой потолка 70 м. Вполне очевидно, что время образования таких пустот измеряется тысячелетиями.

Карстовые процессы могут проникать глубоко под землю, так отмечены случаи, когда они наблюдается на глубине до 1300 м (Средняя Азия).

Строительство в карстовых районах сопряжено с большими трудностями, т.к. карстующиеся породы являются ненадёжным основанием. Пустотность массива снижает прочность и устойчивость пород. Развитие карстовых пустот может вызывать оседания и провалы поверхности земли, что ведёт к разрушению конструкций различных объектов.

При активном карсте продолжают расти пустоты, как на поверхности земли, так и в глубине толщ пород, по трещинам в породах постоянно циркулирует вода, растительность (кусты, деревья) отсутствует.

В пассивном карсте пустоты заполнены песчано-глинистым материалом, циркуляция воды отсутствует, поверхность часто задернована и покрыта растительностью. Таким образом, карст уже прекратил своё развитие, пустотность не возрастает, но в целом эти закарстованные породы существенно ослаблены по прочности и при строительстве объектов требуют упрочнения.

При инженерно-геологических изысканиях необходимо: 1) устанавливать имеют ли место карстовые процессы или они отсутствуют, 2) при наличии в основаниях будущих сооружений карстующихся пород, определять какой это тип карста: – активный (действующий) или – пассивный (древний, прекративший развитие).

Инженерно-геологические работы на карстовых участках представляют собой известную сложность. Изыскания проводят, как по площади, так и по глубине. Буровые скважины не дают полной картины пустотности грунтовых массивов и поэтому в состав работ должны входить геофизические методы разведки. Однако на современном техническом уровне трудно точно определить размеры, форму, пространственную ориентацию существующих карстовых пустот.

По итогам изысканий определяется степень закарстованности участка и даётся прогноз возможного дальнейшего развития карста. Этот прогноз проводится на основе комплексного изучения геологической среды с применением различных методов: расчётов, моделирования, стационарных наблюдений. В инженерно-геологическом отчёте для изученного участка предлагается комплекс мероприятий по борьбе с карстом.

При необходимости строительства на карстовоопасных участках применяют как пассивную, так и активную защиту от провалов.

Пассивная защита: 1) наиболее ответственные здания располагают там, где провал маловероятен. 2) применяют плитные фундаменты и фундаменты с консольными выпусками, которые малочувствительны к неравномерным осадкам, то есть могут защитить от небольших провалов

Активная защита должна осуществляться на участках активного карста и быть направлена на прекращение развития карста: 1) применение гидроизоляции поверхности и отведение поверхностных вод по системе дренажей для предохранения растворимых пород от проникновения в них текучих вод, 2) нагнетание в трещины и в карстовые пустоты твердеющих материалов (цементного или глинистого раствора, горячего битума), что значительно уменьшает циркуляцию воды в массиве и в некоторой мере повышает прочность пород.

15.3. Плывуны.

Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, обычно глинистые пески, которые разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжёлой, вязкой жидкости. Основной причиной проявления у пород плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которое возникает при их вскрытии какими-либо строительными или горными выработками.

Плывуны по своим свойствам разделяют на два вида: 1) ложные (псевдоплывуны) и 2) истинные плывуны.

Ложные плывуны– породы, обладающие очень слабыми структурными связями, например, рыхлые пески, у которых трение между частицами не велико. Такие пески, находясь в бортах горных выработок, оплывают под действием довольно сильного потока подземных вод. Характерная особенность ложных плывунов – это лёгкая отдача ими воды (рис. 69 а).

Переход в плывунное состояние происходит под действием высокого гидродинамического давления потоков подземных вод. Коэффициент фильтрации у них высокий и достигает 1-2 м/сут и более. Частицы находятся во взвешенном состоянии. Такое взвешивающее действие воды при опредёленных условиях проявляется также в некоторых песках на морских (и речных, но реже) побережьях, создавая так называемые зыбучие пески.

Истинные плывуны – породы, обладающие свойствами связных грунтов, т.е. они слабо отдают воду и маловодопроницаемы (К_ф = 0,1÷0,01 м/сут), поэтому осушение плывунов затруднительно. Водоудерживающая способность истинных плывунов велика: W_вес может достигать 240 %. Плывунные свойства могут проявлять пылеватые и глинистые пески, реже супеси и суглинки, обладающие высокой пористостью (40÷60 %). Структурные связи плывунов обусловлены присутствием глинистых частиц, притягивающих к себе воду, и создающих вокруг себя плёнки рыхлосвязанной воды. По некоторым экспериментальным данным, эти связи обусловлены также наличием живых микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. При динамическом воздействии и/или при невысоком гидродинамическомдавлении снижается и так невысокое сцепление и трение между частицами грунта, а часть связанной воды переходит в свободное состояние и грунт начинает вести себя как вязкая жидкость (рис. 69 б).

Эти пленки рыхлосвязанной воды ослабляют структурное сцепление частиц и снижают водопроницаемость пород. Коэффициент фильтрации у таких пород очень небольшой и колеблется от 0,005 до 0,0001 см/с.

При высыхании истинные плывуны за счёт склеивающего действия глинистых частиц образуют довольно сильно сцементированные массы.

Рис. 69. Схематические изображения ложного (а) и истинного (б) плывунов

В строительной практике при инженерно-геологических изысканиях необходимо определять: 1) способность грунтов переходить в плывунное состояние и 2) вид плывуна, т.е. ложный он или истинный. Это устанавливается в грунтоведческих лабораториях, а иногда непосредственно на объекте строительства.

Первыми с плывунами сталкиваются инженеры-геологи при выполнении изыскательских работ. Плывуны затрудняют проходку буровых скважин и особенно шурфов. При проходке выработок, в том числе скважин, плывуны могут начать движение вверх и заполнять выработки до тех пор, пока плывуны не будут остановлены.

Выход плывунов возможен при подрезке склонов. Такие выходы плывунов в свою очередь приводят к образованию оползней и оседанию склонов. Примером может служить случай со 100-метровым трамплином на Воробьёвых горах в Москве. После строительства трамплина строители начали подрезать нижнюю часть склона, чтобы придать ему необходимую кривизну для безопасного приземления лыжников. Так был вскрыт плывун, который стремительно стал покрывать склон, и вызвал его оседание.

Плывуны при условии замкнутого пространства и залегания на достаточно большой глубине могут быть приемлемым основанием, но если где-то по соседству плывуну дадут выход, то может произойти оседание поверхности земли.

Истинные плывуны весьма чувствительны в вибрации и динамическим ударам. Борьба с этими плывунами сложна и не всегда даёт положительные результаты. При проходке выемок истинные плывуны желательно не вскрывать - дно выемок следует закладывать выше, но если всё же имеется необходимость в том, чтобы пройти истинный плывун, то предварительно его следует сделать безопасным. Для этого временно изменяют свойства плывуна замораживанием и/или ограждают участок строительства шпунтовыми подпорными стенками т.к. откачка воды из истинных плывунов практически невозможна. Если плывун ложный, то в нём производят откачку воды на период строительства и/или же закачивают в поры грунта твердеющие материалы (цементация, силикатизация и др.).

Глава 16. Движение горных пород на склонах рельефа и в откосах сооружений.

16. Движение горных пород на склонах рельефа и в откосах сооружений.