5683

Рис. 12 Схема информационного обеспечения карстологоэкологическогорайонированиятерриторий

территорий по карстоопасности: а) весьма опасный; б) опасный; в) потенци- ально-опасный; г) неопасный; и коррелирующиеся с ним уровни (зоны) при- родно-техногенной среды по степени "сенсорности" к техногенным карстопровоцирующим нагрузкам и состоянию экосистем по (Б.В.Виноградову): а) зона

экологического бедствия (Б), б) зона экологического кризиса (К), в) зона

экологического риска (P), г) зона экологической нормы (H).

32

В существующей практике оценки карстоопасности территорий одним из основных расчетных показателей является интенсивность карстопроявлений, т.е. количество случаев образования карстовых провалов в год, приходящееся на единицу площади. Этот показатель в целом достаточно объективно отражает интенсивность карстового процесса на земной поверхности при наличии значительного числа карстовых провалов с известным годом образования. Там же, где свежие провалы отсутствуют или единичны, интенсивность образования провалов определяется косвенным путем. При этом предполагается, что интенсивность прямо пропорциональна плотности воронок, т.е. количеству их на единицу площади. При расчете плотности воронок берется в данном случае все их количество на участке. Дифференциация в возрасте воронок, количество их образования в отдельные промежутки времени не учитывается.

Результаты многолетних работ автором в бассейне р. Оки показали, что при определенных условиях длительность существования провальных карстовых воронок велика и исчисляется тысячелетиями. Брать их в расчет при определении интенсивности современного провального процесса не следует, так как получаются слишком усредненные результаты и необоснованно увеличиваются площади опасных для строительства участков.

Автором в конце 80-х годов был запроектирован и оборудован специальный геодинамический карстовый полигон в районе г. Ворсмы на правобережье бассейна р. Оки. Именно на этом полигоне а также в штольнях и штреках Бебяевского гипсового рудника детально изучались вопросы механизма провалообразования, типы карстовых деформаций, были разработаны методики определения возраста карстовых форм и направленности продвижения провального карстового процесса в плане, показана связь карста с развитием базисов эрозии речных долин и гидрохимические особенности взаимодействия поверхностных

и трещинно-карстовых вод.

Для типизации и прогнозирования карстовых деформаций при изучении провальных карстовых воронок, очень важно определить в каких грунтах образовалась провальная воронка. От этого зависит первоначальная форма и пара-

33

метры провала. Полевые исследования проведенные автором на территории южной части Нижегородской области, Чувашской республики и севера Мордовии, где покровные отложения представлены лессовидными суглинками показали, что первоначальной формой провала в большинстве случаев является круговой цилиндр. Из 67 обследованных свежих карстовых провалов 59 имели цилиндрическую форму.

В связных грунтах вертикальные стенки провала являются устойчивыми до определенной глубины, которую можно приближенно определить по формуле для определения устойчивости склонов мелких котлованов:

где С- удельное сцепление, φ - угол внутреннего трения, у - объемный вес.

В случае если первоначальная видимая глубина провала (H) меньше или равна предельной высоте устойчивого склона (Hc), первоначальная форма цилиндрического провала будет устойчивой. Если же глубина провала H больше Hc , то одновременно с образованием провала будет происходить обрушение склонов до установления устойчивой формы.

Важным фактором, влияющим на развитие провальной формы, является наличие характерной для лессовидных суглинков столбчатой структуры, которая способствует параллельному отступанию вертикальной части склонов провала. При этом осыпающийся и обваливающийся материал стремится занять положение у подножия склона с углом откоса а (рис. 13 ), который по данным наших замеров в свежих воронках составляет в среднем 32°. На рис. 13 точка

А', отделяющая зону денудации от зоны преобладающей аккумуляции (точка перегиба склона), будет соответствовать какому-то определенному моменту в развитии воронки.

Сопоставлением объемов денудированного со склонов и аккумулированного на дне материала была определена траектория точки А, которая представ-

ляет собой кривую AB. Для проверки и выявления тенденции развития склона провальных воронок были проведены специальные раскопки в старых карстовых воронках. Как и следовало ожидать, профиль "коренного" склона воронки был представлен в виде правильной выпуклой кривой.

Рис. 13 Схема развития провальной воронки в первой фазе.

Из рис. 13 видно, что величина отступания вертикального склона воронки

равна ΔR'.

Высота (H - у) вертикального откоса постепенно уменьшается и при у = H становится равной О, т.е. кривая движения точки А пересекается с поверхностью HB. На этом первая фаза развития провальной воронки - фаза естественного отступания вертикальной части склона - заканчивается. Определение величины ΔR имеет важное значение для прогнозирования возможных деформаций зданий и сооружений, и принятия срочных мер по защите здания при образовании провала в контурах сооружений или в непосредственной близости от них. Эта зона характеризуется пониженной несущей способностью грунтов.

При раскопках провальных воронок глубина до поверхности слоя погребенной при провале почвы принималась за первоначальную глубину провала.

Поскольку объем провала в первой фазе развития практически не изменяется (первоначальный объем цилиндра принимается равным объему формы в момент обследования) первоначальный радиус провала определяется по формуле:

где V -объем существующий формы, Н-первоначальная глубина провала. Установив первоначальные параметры для провалов и зная время их обра-

зования, находится приращение ΔR для каждого провала. Определив время

Δt за которое произошли эти приращения, находим среднюю скорость V ср. отступания вертикальной части склона.

Зная скорость V ср. и полное приращение радиуса ΔR до пересечения кривой движения точки А с поверхностью HB определяется длительность существования провальной воронки вданнойфазе:

Определение возраста старых провальных карстовых воронок позволяет восстановить историю развития провального карстового процесса, оценить направленность его продвижения в пространстве и интенсивность в отдельные промежутки времени. Разработанная автором методика определения возраста провальных карстовых воронок основана на комплексе методов, кроме изложенного выше метода, используется спорово-пыльцовый и радиоуглеродный методы. При освоении природных ресурсов на закарстованных территориях автором важное значение придается оценке естественной направленности развития карста, выделению зон "древнего", погребенного карста, определению унаследованности его развития.

В пятой главе изложены общие требования к освоению природных ресурсов на закарстованных территориях, основные принципы и основы техноло-

36

гии освоения территориальных, водных ресурсов и твердых полезных ископаемых карбонатно-сульфатного ряда. На основании выделенных при карстологоэкологическом районировании 4 типов территорий по карстоопасности и коррелирующихся с ними уровней (зон) природно-техногенной среды (ПТС) по степени "сенсорности" к техногенным карстопровоцирующим нагрузкам и состоянию экосистем разработана стратегия освоения каждого охарактеризованного выше вида природных ресурсов.

Для перспективного планирования освоения территориальных ресурсов закарстованных территорий автором составлена следующая схема (табл. 2).

Следующей стадией освоения после принятия решения о проведении строительства является проектирование конкретного вида строительства (сооружения) или вида хозяйственной деятельности. Наиболее полно в России и за рубежом изучены вопросы проектирования на закарстованных территориях для промышленного и гражданского строительства (Рекоменд. по проектиров.зданий и сооружен. в карстов. районах СССР,1967, Методич. рекомендац. по проектиров. зданий и сооружен. в карстов. районах, 1977, Рекомендац. по проектиров. фундам. на закарстов. территор., 1985, Методич. рекоменд. по проектиров. бескаркасн. жил. зданий в карстов.р-нах, 1986, Толмачев, Троицкий, Хоменко, 1986, СНиП 2.01.15-90, 91, СНиП 2.02.01 - 83*, 1995, TCH 22 - 308 - 98 HH, 1999, Reuter F. и др. 1981, Chaopu Z., 1981 и др.).

В этих работах достаточно детально рассмотрены способы оценки карстоопасности для целей проектирования и эксплуатации различных строительных объектов, виды и мероприятия противокарстовой защиты, направленные на усиление надежности зданий и сооружений.

Проектные разработки базируются на различных по степени детальности инженерных изысканиях (СНиП II-02-96, 1997, СП П-105-97 ч. I, II, 1998, СП II- 102-97, 1997, "Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста", 1995)

Однако необходимо отметить, что инженерно-экологические аспекты и оценка экологической безопасности на осваиваемых территориях при исполь-

Табл 2

Схема перспективного планирования освоения территориальных ресурсов за-

зовании различных видов противокарстовой защиты не нашли должного отражения в нормативно-методических документах.

Автор на стадии проектирования рассматривает условия строительного освоения закарстованной территории в зависимости от экологического состоя-

38

ния природно-техногенной среды, ее чувствительности к техногенным карстопровоцирующим нагрузкам и выделяет 4 уровня состояния ПТС: а) благоприятное, б) малоблагоприятное, в) неблагоприятное, г) весьма неблагоприятное (катастрофическое). В зависимости от того в какие условия попадает проектируемый объект на разных стадиях проектирования определяются направления и виды противокарстовой защиты сооружений, условия применения противокарстовых мероприятий , корректируется уровень техногенных нагру-

зок.

Автор, считая, что оценка карстоопасности основывается на двух параметрах: интенсивности развития деформаций на поверхности и размерах поверхностных проявлений карста все мероприятия, воздействующие по его мнению на эти параметры свел в табл. 3. При реализации данных мероприятий осуществляется контроль за изменениями состояния природно-техногенной среды и вносятся соответствующие коррективы, если они начинают неблагоприятно сказываться на ее состоянии.

Важное значение для рационального и безопасного освоения территорий придается автором вариантам размещения строительных объектов на закарстованных участках в зависимости от распространения карстовых форм в плане, регулированию плотностью застройки, созданию лесопарковых зон.

На стадии строительства промышленных и гражданских объектов на закарстованных территориях применяются конструктивные и противокарстовые мероприятия, включающие усиление несущих узлов и соединений зданий, особые конструкции фундаментов, статические схемы несущих конструкций сооружений. Выбор рациональных конструктивных схем защиты зданий и сооружений, их виды и объемы определяются видами и расчетными параметрами карстовых деформаций. Для Нижегородской области, республик Мордовии и Чувашии рекомендуется в качестве базовой разработанная специалистами НИИОСП им. H. И. Герсеванова классификация противокарстовых конструктивных мероприятий (Рекоменд., 1985), которая достаточно эффективно используется проектировщиками и строителями России.

39

При освоении водных ресурсов закарстованных территорий основные принципы и подходы остаются аналогичными рассмотренным при освоении территориальных ресурсов. Влияние различных составляющих водной среды на динамику развития карста нашло отражение в табл. 3. Автором рассмотрена взаимосвязь подземных и поверхностных вод на примере южной части Нижегородской области и севера республики Мордовия, определены основные закономерности и зависимости этой взаимосвязи при эксплуатации месторождений подземных вод. Особое внимание уделялось выявлению и характеристике источников загрязнения подземных вод, оценке защищенности грунтовых и тре- щинно-карстовых вод, особенностям их гидравлической связи в области питания и санитарно-защитных зонах водозаборов. Автором проведена типизация водозаборов подземных вод на закарстованных территориях по степени защищенности от загрязнения и истощения, влияния на изменение состояния при- родно-техногенной среды и изменение направленности динамики развития карста в зависимости от водоотбора. На основе разработанной автором программы и методики моделирования параметров действующего водозабора подземных вод стало возможно прогнозировать развитие депрессионной воронки в различных условиях с заданным режимом водоотбора, формирование зоны агрессивных по отношению к карстующимся породам вод на участках водозаборов. Разработаны ограничения по режиму эксплуатации водозаборов, на закарстованных участках с благоприятным, малоблагоприятным и неблагоприятным экологическим состоянием ПТС. На участках с весьма неблагоприятным экологическим состоянием ПТС и характеризующихся по степени карстоопасности весьма опасными, строительство водозаборов не допускается.

Размещение, проектирование и строительство горнопромышленных объектов основывается на результатах карстолого-экологического районирования. Разработка месторождений карбонатно-сульфатного ряда на изучаемых территориях как правило ведется на небольшой глубине, часто открытым способом. Близкое залегание к земной поверхности карбонатных и сульфатных пород свидетельствует об активном воздействии на них эрозионно-коррозионных

Табл 3

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО КАРСТОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ