Header Image

Критерии, используемые при оценке экологичности строительных материалов, включают в себя целый ряд вопросов.

Подробнее ...
Механизм (стадии) образования крупного карстового провала в п. Бутурлино Нижегородской области Печать E-mail
09.12.2014 19:26

М.М. Уткин, Р.Б. Давыдько
ОАО «Противокарстовая и береговая защита»
606019, г. Дзержинск Нижегородской обл., ул. Гастелло, д. 10/15

Введение. В ночь с 9 на 10 апреля 2013 г. в п. Бутурлино Нижегородской области произошёл крупный карстовый провал (рис. 1). В момент обследования провала, проведённого на следующий день после его образования, бровки были чёткие, крутизна склонов составляла 90°. По результатам геодезической съемки, выполненной 3 мая 2013 г., размер провала составил 60-62 м. В образовавшийся провал полностью ушли деревянный жилой дом и тополь (высота ≈15 м). Кроме того, провалом разрушен кирпичный дом и частично разрушен зерновой склад (см. рис. 1). Лишь по счастливой случайности обошлось без человеческих жертв.


Рис. 1. Провал в п. Бутурлино Нижегородской области (апрель 2013 г.)

Следует отметить, что в 77 м южнее образовавшегося провала проходит магистральная железная дорога направления Москва-Казань (участок Арзамас-II – Канаш, 487 км). Поэтому данный провал привлёк внимание и железнодорожников.
В данной работе детально остановимся только на закономерностях и механизме произошедшего провала, предварительно выполнив краткий анализ инженерно-геологических и гидрогеологических условий участка провала. Для оценки этих условий был проведён комплекс инженерно-геологических (карстологических) изысканий [7], включающий в себя следующие основные работы: (1) рекогносцировочное обследование, (2) статическое зондирование, (3) бурение глубоких скважин («на карст»).
Инженерно-геологические (карстологические) изыскания. По результатам проведения детальной полевой рекогносцировки территории вокруг образовавшегося провала, было зафиксировано множество поверхностных карстопроявлений, основные из которых: котловина с берегами фестончатого типа (местное название – «Прорва»), карстовые озёра круглой, овальной и неправильной (в результате слившихся воронок) форм, воронки, не заполненные водой, просадки (глубиной до 0,5 м).
После этого на рассматриваемой территории было выполнено статическое зондирование покровной толщи грунтов. По результатам данного вида изысканий было зафиксировано множество зон разуплотнённых песков, максимальная мощность которых, в зоне бровок провала, составила 4,2 м. Кроме того, по результатам зондирования была выявлена погребённая карстовая воронка.
Окончательные инженерно-геологические условия территории расположения провала были установлены по результатам бурения глубоких скважин «на карст».
В геологическом строении рассматриваемой территории учавствуют отложения четвертичной и пермской систем.
Четвертичная система представлена делювиально-солифлюкционными отложениями и аллювиальными отложениями II надпойменной террасы р. Пьяны.
Первые – сложены макропористыми суглинками, от твёрдых до мягкопластичных.
Мощность их изменяется от 4,4 до 6,4 м.
Вторые – от подошвы суглинков и до глубины 11,0 м сложены песками кварцевыми, водонасыщенными, различной крупности и плотности сложения.
Пермская система представлена средним и нижним отделами. Средний отдел представлен уржумским и казанским ярусами, а нижний – сакмарским.
Отложения уржумского яруса вскрыты на глубине 14,0-15,5 м и были разделены на два слоя в виду существенного различия в их физико-механических свойствах. Первый – представляет собой элювий уржумских отложений и сложен глинами слабыми, местами перемятыми. Мощность его изменяется от нуля до 8,8 м. Второй слой представлен глинами, но уже плотными и твёрдыми. Мощность его варьируется от 5,3 до 13,3 м.
В этих отложениях одной скважиной были вскрыты небольшие этажно-расположенные полости. Также данной и расположенной вблизи нее скважиной были вскрыты одиночные полости, высотой до 0,4 м. Эти полости заполнены перемятой глиной и водой.
Суммарная мощность данных отложений составила 8,8-14,8 м. Они залегают трансгрессивно на сильно размытой и закарстованной поверхности казанских отложений.
Отложения казанского яруса вскрыты на глубине 24,3-28,8 м. Они представлены преимущественно доломитами, а также окремнёнными, доломитизированными известняками, крупнопористыми, сильно трещиноватыми.
Пробуренными скважинами было вскрыто множество разрушенных зон и полостей. Полости зафиксированы, как заполненные водой, так и разрушенными карстующимися породами, редко четвертичными отложениями.
Мощность отложений составила 28,0-30,0 м. Они также залегают на глубоко размытой и закарстованной поверхности сакмарских отложений.
Отложения сакмарского яруса вскрыты на глубине 52,3-56,7 м. Они до глубины 101 м представлены гипсом разных генераций, от слабо- до сильнотрещиноватого, от очень слабого до очень крепкого.
Скважинами были зафиксированы разрушенные зоны, «зоны цементации древнего карста» и полости, заполненные водой или разрушенными карстующимися породами.
Гидрогеологические условия рассматриваемой территории характеризуются наличием двух основных водоносных горизонтов: аллювиального и трещинно-карстового.
Аллювиальный водоносный горизонт приурочен к четвертичным отложениям. Горизонт характеризуется высокой водообильностью и агрессивностью вод по отношению к карстующимся породам. Уровни грунтовых вод при проведении инженерно-геологических изысканий зафиксированы на глубине 2,5-3,7 м, что на 0,6-2,1 м выше пьезометрического уровня трещинно- карстовых вод. Питание горизонта осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков, а основная его разгрузка происходит в р. Пьяну и в нижележащий водоносный горизонт.
Трещинно-карстовый водоносный горизонт приурочен к карбонатным и сульфатным отложениям казанского и сакмарского ярусов пермской системы. Воды напорные. Высота напора в период проведения изысканий составила 19,7-24,4 м. Основная область питания горизонта располагается за пределами исследуемого участка, а частичная его подпитка происходит за счёт аллювиальных и речных вод. Разгрузка горизонта происходит в р. Пьяну. Верхним относительным водоупором для горизонта служат отложения уржумского яруса. Агрессивность вод по отношению к карстующимся породам изменяется от неагрессивных до агрессивных (на участках отсутствия водоупора), вследствие гидравлической взаимосвязи трещинно-карстового и аллювиального горизонтов.
Таким образом, исходя из проведённого комплекса инженерно-геологических изысканий установлено, что на исследуемой территории и в её окрестностях происходит интенсивное протекание карстовых процессов. При этом зафиксированные карстопроявления, в т.ч. и поверхностные, по нашему мнению также связаны с наличием новейших тектонических движений.
Обстоятельства, влияющие на механизм провалообразования. При дальнейшем анализе механизма провалообразования учитывались следующие основные обстоятельства:
1. Геологическое строение покровной толщи грунтов и карстующихся пород в зоне расположения провала и его окрестностях, установленное по результатам проведения комплекса инженерно-геологических (карстологических) изысканий.
По литологии карстующихся пород карст на рассматриваемом участке строительства относится к сульфатно-карбонатному типу, а по расположению карстующихся пород относительно земной поверхности – к покрытому типу [4].
Как указывалось выше, при описании инженерно-геологических условий рассматриваемой территории, покровная толща грунтов частично сложена аллювиальными отложениями II надпойменной террасы, которые представлены водонасыщенными песками различной плотности сложения (в т.ч. рыхлыми). Следовательно, можно утверждать, что карстовые процессы на рассматриваемой территории осложнены суффозионными процессами [1, 5, 8-11, 13, 14], возникающими в результате проникновения (переноса) водонасыщенных песков в полости, трещины, каверны, разрушенные зоны карстующихся пород. Это обстоятельство также было зафиксировано и по результатам проведения буровых работ. Кроме того, перенос рассматриваемых пород может происходить в полости и трещиноватые зоны глинистых пород. Поэтому процесс провалообразования относится к смешанному типу [11-13], который связан с провальной и суффозионной опасностью. Суффозионные процессы наиболее активизированы в зоне, примыкающей к железной дороге, вследствие воздействия на грунтовый массив вибродинамических нагрузок [3, 5, 9, 10].
2. Гидрогеологические условия исследуемой территории и скорость растворения карстующихся пород.
Гидрогеологические условия способствуют развитию карстово-суффозионных процессов на рассматриваемой территории.
Кроме того, следует учитывать тот факт, что скорость растворения сульфатных пород примерно в 100 раз больше, чем скорость растворения карбонатных пород [4, 9, 10].
3. Сведения очевидцев, наблюдавших процесс образования и развития провала в первые часы его образования.
Жители разрушенного дома №26 «А» по ул. Железнодорожной, проснулись из-за необычного треска (скрежета) металлической кровли зернохранилища, расположенного напротив их дома. Выйдя из дома, они заметили яму округлой формы, диаметром около 15-20 м и глубиной 10-15 м. Затем провальная впадина на глазах жителей стала быстро расширяться за счёт обрушения её бортов и, вскоре достигла дома №26 «А» и зернохранилища. Диаметр провала увеличился примерно до 60 м. Сильного подземного шума или ударов вследствие обрушения горных пород жители не слышали. По их сведениям на дне ямы было небольшое количество воды. Когда провальная впадина, расширяясь, достигла рядом расположенного озера, она стала интенсивно наполняться водой.
4. Наличие рядом и в окрестности произошедшего провала множества понижений карстового генезиса.
5. Результаты исследований механизма образования провалов путём физического их моделирования на специальных стендах в лаборатории методом эквивалентных материалов и полевых исследований [5, 6, 8-13]. Кроме того, был проанализирован ряд зарубежных публикаций по вопросу закономерностей провалообразования [1, 2, 14-17].
На основании этих исследований, применительно к поставленной задаче, было акцентировано внимание на следующих выводах:
• На рассматриваемой территории существует система взаимосвязанных карстовых полостей [1, 2, 6, 8, 9, 15-17], соединённых трещинами и каналами;
• Крупные полости в карстующихся породах возникают в местах пересечения тектонических трещин [1, 2, 8, 15-17];
• Как правило, в рассматриваемых инженерно-геологических условиях образованию провала предшествует формирование системы сводов в покровной толще грунтов над карстовой полостью, которые с течением времени, дискретно приближаются к земной поверхности [9-13];
• В результате процесса сводообразования происходит разуплотнение и разрушение горных пород [1, 2, 12, 14];
• При наличии в разрезе водонасыщенных песков происходит интенсивное их сдвижение (выпор) в подземные карстопроявления [11, 13, 14]. При этом, как правило, имеют место деформации земной поверхности типа просадок или небольшие провалы.
Механизм (стадии) провалообразования. Началом образования карстовой полости послужила вертикальная тектоническая трещиноватость отложений пермского возраста. Она способствовала концентрированному поступлению воды в наиболее растворимую сульфатную (гипсовую) толщу, подстилающую карбонатные (известняковые) отложения. В течение длительного геологического времени на контакте гипсов и известняков стала развиваться полость (рис. 2). Более быстрому её развитию также способствовала агрессивность подземных вод.
С течением времени происходило развитие полости. Когда пролёт полости достиг определённого критического размера, произошло обрушение её кровли с образованием устойчивого свода равновесия (рис. 3).
В дальнейшем, с развитием полости в течении продолжительного времени её пролёт достиг критической величины (≈25-30 м), что привело к дискретному обрушению всей кровли известняков. В результате этого образовались вторичная (промежуточная) полость в глинистых породах уржумского яруса и свод равновесия (рис. 4).


Рис. 2. Образование крупной полости на контакте сульфатных и карбонатных пород


Рис. 3. Развитие полости в известняках с образованием устойчивого свода равновесия


Рис. 4. Образование промежуточной полости на контакте известняков и глин с формированием свода равновесия


Рис. 5. Выход провала на земную поверхность


Рис. 6. Быстрое блоковое разрушение бортов провала и формирование угла естественного откоса в песках


Рис. 7. Завершение процессов развития провальной воронки

В результате дальнейшего развития промежуточной полости до величины ≈15 м произошло разрушение свода равновесия и образование многочисленных неустойчивых (временных) сводов в четвертичных отложениях. Затем свод практически достиг земной поверхности и произошло образование провала, диаметр которого составил не менее 10 м (рис. 5). После этого в результате последующего быстрого выпора (истечения) водонасыщенных песков в образовавшийся провал происходило быстрое блоковое разрушение вышележащих суглинков (рис. 6). При достижении угла естественного откоса у водонасыщенных песков (≈20-25°) процесс их выпора практически прекратился. Замедлилось и развитие бортов провала. В результате этих процессов провал достиг диаметра ≈60 м.
В дальнейшем будет происходить процесс длительного выполаживания бортов провала до угла естественного откоса грунтов, слагающих покровную толщу.

Литература
1. Адерхолд Г. Классификация провалов и мульд оседаний в карстоопасных районах Гессена – Рекомендации по оценке геотехнических рисков при проведении строительных мероприятий (перевод с немецкого В.В. Толмачёва; под редакцией проф. Е.В. Копосова). – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2010.
2. Андрейчук В.Н. Провалы над гипсовыми пещерами – лабиринтами и оценка устойчивости закарстованных территорий. – Черновцы, 1999.
3. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути в карстоопасных районах. ОАО «РЖД». – М, 2011.
4. Рекомендации по проведению инженерных изысканий, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области. Департамент градостроительного развития территории Нижегородской области. ОАО «Противокарстовая и береговая защита». – Нижний Новгород, 2012.
5. Рекомендации по использованию инженерно-геологической информации при выборе способов противокарстовой защиты (под редакцией В.В. Толмачёва). – М.: ПНИИИС, 1987.
6. Саваренский И.А., Миронов Н.А. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста. – М.: ПНИИИС, 1995.
7. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов / Госстрой России. – М., 2000.
8. Толмачёв В.В., Карпов Е.Г., Хоменко В.П., Мартин В.И., Давыдько Р.Б. Механизм деформаций горных пород над подземными карстовыми формами // Инженерная геология. – 1982, №4. – С. 46-59.
9. Толмачёв В.В., Ройтер Ф. (при участии Хоменко В.П., Молека Х., Зудерлау Г.) Инженерное карстоведение. – М., 1990.
10. Толмачёв В.В., Троицкий Г.М., Хоменко В.П. Инженерно-строительное освоение закарстованных территорий (под редакцией Е.А. Сорочана). – М., 1986.
11. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов // под ред. В.В. Баулина. – М., 2003.
12. Хоменко В.П. Карстово-обвальные провалы «простого типа»: полевые исследования // Инженерная геология. – 2009, №4. – С. 40-42.
13. Хоменко В.П. Карстово-суффозионные процессы и их прогноз (под редакцией Р.С. Зиангирова). – М., 1986.
14. Fenk J. Eine Theorie zur Entstehung von Tagesbrüchen über Hohlräumen im Lockergebirge. – Leipzig, 1981.
15. Karst management (Editor P.E. Van Beynen). – Dordrecht-Heidelberg-London-New York, 2001.
16. Reuter F., Tolmačev V.V. (unter Mitarbeit von H. Molek, G. Suderlau und V.P. Chomenko). Bauen und Bergbau in Senkungs-und Erdfallgebieten (Eine Ingenieurgeologie des Karstes). – Berlin, 1990.
17. Sowers G.F. Building on sinkholes (Design and construction of foundations in karst terrain). – New York, 1996.

 
Free template "Frozen New Year" by [ Anch ] Gorsk.net Studio. Please, don't remove this hidden copyleft! You have got this template gratis, so don't become a freak.