«ПРОВАЛЫ И ОСЕДАНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В КАРСТОВЫХ РАЙОНАХ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ГЕОЭКОЛОГИИ ИМ. Е.М. СЕРГЕЕВА

(ИГЭ РАН)

УДК 624.131.53:551.448

На правах рукописи

Аникеев Александр Викторович

ПРОВАЛЫ И ОСЕДАНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В КАРСТОВЫХ

РАЙОНАХ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ

Специальность 25.00.08 – Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Москва – Оглавление Стр.

Введение ………………………………………………………………………………….. Глава 1. Карстово-суффозионные провалы как экзогенный геологический процесс ………………………………………………………………………... 1.1. Определение основных понятий и постановка проблемы ………………... 1.2. Поверхностные формы карста и инженерно-геологические условия ……. 1.3. О роли карстового процесса в появлении карстово-суффозионных воронок …

1.4. Оценка опасности и риска образовании провалов и локальных оседаний земной поверхности в карстовых районах …………………………………. Выводы ……………………………………………………………………….. Глава 2. Напряженно-деформированное состояние покровной толщи массивов закарстованных пород ……………………………………………………….. 2.1. Определение напряженного состояния перекрывающих полость грунтов аналитическим методом ……………………………………………………... 2.2. Изучение деформаций покровной толщи на термопластических материалах ……………………………………………………………………. 2.3. Исследование закономерностей распределения напряжений при обрушении свода карстовой полости поляризационно-оптическим методом ……………………………………………………………………….. 2.4. Зональность строения массива пород в окрестности ослабленного участка как эффект самоорганизации геологической среды ……………... 2.5. Изменение напряженного состояния грунтовой толщи в динамике провалообразования …………………………………………………………. Выводы ……………………………………………………………………….. Глава 3. Деформирование и разрушение слоя связных грунтов …………………… 3.1. Механизм и кинематика процесса ………………………………………….. 3.2. Модели среза горных пород по цилиндрической поверхности и обрушения параболического свода …………………………………………. 3.3. Модель случайного гидроразрыва слабопроницаемого слоя ……………... 3.4. Особенности гидравлического разрушения мощных глинистых пластов 3.5. Математическое моделирование полей порового давления и деформаций пород при откачках подземных вод ………………………………………… Выводы ……………………………………………………………………….. Глава 4. Образование провалов в песчаном слое ……………………………………. 4.1. Суффозия массы как процесс деформирования несвязных грунтов ……... 4.2. Закономерности формирования и устойчивость сводообразных структур 4.3. Свод обрушения в капиллярно-влажных песках …………………………... 4.4. Влияние локальной восходящей фильтрации на развитие массовой суффозии ……………………………………………………………………... 4.5. Разрушение несвязных грунтов при подъеме уровня подземных вод …… Выводы ……………………………………………………………………….. Глава 5. Свободное истечение несвязных грунтов в подземные полости …………. 5.1. Схематизация природных условий, материалы, методика и результаты опытов ………………………………………………………………………… 5.2. Кинематика свободного истечения несвязных грунтов в отверстия …….. 5.3. Моделирование полей скорости и плотности потока сыпучих тел методом клеточных автоматов ……………………………………………… 5.4. Сравнительный анализ данных физического и математического моделирования, основные закономерности процесса …………………….. 5.5. Строение области влияния подземной полости и суффозионный процесс 5.6. Прогноз провалообразования в песчаной толще ………………………….. 5.7. Классификация суффозии по условиям, факторам и механизму процесса Выводы ……………………………………………………………………….. Глава 6. Прогноз провалов и оседаний земной поверхности в карстовых районах 6.1. О причинах образования провалов и блюдец оседания в Москве ……….. 6.2. Оценка карстово-суффозионной опасности и риска в условиях 6.3. Прогноз провалообразования в Дзержинском карстовом районе при 6.4. Устойчивость площадки размещения основных сооружений Актуальность темы. Общая площадь распространения карстующихся пород составляет 31.5 % площади суши Земного шара. Из них 9.5 % занимают районы, где растворимые отложения обнажаются на поверхности, а 22 % – где они перекрыты нерастворимыми грунтами (Максимович Г.А., 1963; Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н., 2007). На этой огромной площади ( 47106 км2) едва ли не самую большую экзогенную геологическую опасность представляют провалы земной поверхности.

Особенности процесса образования провальных воронок и воронок оседания обусловлены растворением горных пород, наличием и относительно неглубоким залеганием ослабленных участков массива – карстовых полостей, открытых трещин, зон дробления, погребенных провалов и других подземных карстовых форм. Существованием ослабленных участков объясняется и локализация деформаций дневной поверхности, и сильная их неравномерность, и плохая предсказуемость, и ведущая роль процессов разрушения и перемещения грунтов (Poland J.F., 1981; Печеркин А.И., 1989). По внезапности, сложности процесса и его прогноза, а порой и по катастрофическим последствиям провалообразование иногда сравнивают с извержениями вулканов (Zhou W., Beck B.F., 2008). И именно этот процесс служит если не главным, то одним из основных предметов исследования в инженерной геологии карстовых районов, которая в последние два десятилетия чаще называется инженерным картоведением (Толмачев В.В., Ройтер Ф., 1993; Дублянский В.Н. и др., 2011).

Интерес инженеров-геологов, проектировщиков и строителей к этой проблеме понятен: появление воронок нарушает безаварийную эксплуатацию наземных и подземных сооружений, угрожает жизни людей. Так, по данным Геологической службы США только в нескольких штатах ущерб от провалообразования в 1970–1985 гг. составил 170 млн. долларов (Newton J.G., 1987). Причем оценивались лишь легко учитываемые последствия – разрушение зданий, автострад, трубопроводов и т. д. За кадром остались такие негативные явления как превращение плодородных земель в неудобья, засоление подземных вод, изменение ландшафтов и некоторые другие. Здесь мы вплотную подходим к еще одному аспекту проблемы – экологическому. Локальные понижения рельефа, являясь очагами поглощения сточных вод, регулируют площадное загрязнение территории. Но именно тела воронок – области перемещения песчаных и раздробленных глинистых грунтов – служат местами повышенной проницаемости пород, хорошей связи водоносных горизонтов, изменения химического состава подземных вод и, как правило, ухудшения их качества. Таким образом, тема настоящей работы имеет большое инженерно-геологическое и экологическое значение. В то же время решение проблемы прогнозирования провалов и оседаний земной поверхности в районах покрытого карста на локальном уровне оставляет желать лучшего, несмотря на большое количество посвященных ей работ. Особенно актуальна эта проблема для районов нереализованной, ожидаемой опасности, где все условия развития процесса есть, а самих воронок нет, или они не зафиксированы, или встречены единичные формы, исключающие или сильно затрудняющие применение вероятностно-статистических методов анализа и прогноза провалов.

По объектам и способам исследования рассматриваемую проблему можно разделить на две части. Первая связана с выявлением ослабленных участков, определением их формы, размеров и степени заполнения рыхлым материалом, с оценкой скорости выщелачивания растворимых пород и влияния этого процесса на аккумуляционную емкость закарстованного массива. Главная роль в получении этих данных принадлежит натурным методам изучения инженерно-геологическим, гидрогеохимическим, геофизическим и спелеологическим. При решении некоторых вопросов целесообразно использовать также методы физического и математического моделирования.

Вторая часть проблемы исследование собственно провалообразования, закономерностей гравитационного и фильтрационного разрушения грунтов покровной толщи, выноса обломочного материала в трещинно-карстовые коллекторы, механизмов формирования воронок в массиве горных пород и на земной поверхности. Именно этим вопросам уделено основное внимание в настоящей работе.

Основная идея. Локальный прогноз провалов в многослойной покровной толще закарстованного массива может быть основан на детерминированных моделях, адекватно отражающих поведение связных и несвязных грунтов над ослабленным участком массива в зависимости от их состава, свойств, степени водонасыщения и фильтрационных сил.

Причем общий методологический подход к созданию таких моделей и их последовательному (снизу вверх, от очага возмущения к земной поверхности) применению должен базироваться на представлениях о динамической перестройке геологической среды при внешних воздействиях. И в основу этого подхода целесообразно положить фундаментальный физический принцип Ле Шателье, который гласит: любое внешнее воздействие на находящуюся в равновесии систему вызывает развитие в ней процессов, стремящихся ослабить это воздействие.

Цель исследований. Определение закономерностей и механизмов образования провалов и воронок оседания в районах покрытого карста, научное обоснование локальных прогнозов устойчивости закарстованных территорий.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Изучить и выделить основные условия формирования карстово-суффозионной опасности и проблемы ее количественной оценки и прогноза.

2. Исследовать напряженно-деформированное состояние грунтовой толщи в окрестности ослабленного участка массива и установить, как влияет перераспределение напряжений на процесс образования провалов.

3. Разработать новые и усовершенствовать существующие методы и технические средства экспериментального изучения процесса на масштабных физических моделях с учетом необходимости его прогнозирования во времени.

4. Исследовать процесс, нарушающий устойчивость связных грунтов над карстовой полостью, и механизмы появления окон в водоупорах.

5. Установить закономерности деформирования воздушно-сухих и водонасыщенных несвязных грунтов при их поступлении в трещинно-карстовые коллекторы, количественно охарактеризовать особенности и кинематику процесса, разработать модели, позволяющие определять размеры карстово-суффозионных воронок и возможность их появления в песчаной толще.

апробировать результаты теоретических и экспериментальных исследований на хозяйственных объектах, расположенных или проектируемых в карстовых районах.

Исходные материалы и методы исследований. Диссертационная работа основана на материалах полевых, экспериментальных и теоретических исследований устойчивости закарстованных территорий, выполнявшихся автором в Институте литосферы АН СССР (1980–1990), на Геологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова (1994–2004) и в Институте геоэкологии РАН (1991–1994, 2004–2013). Фактические данные получены в ходе научно-исследовательских плановых (госбюджетных – полевых, лабораторных) и договорных работ, а также при подготовке многочисленных заключений и экспертиз по оценке карстово-суффозионной опасности и риска.

При изучении природы и механизмов формирования провалов – процесса, скрытого от глаз наблюдателя, – главное внимание уделялось физическому и математическому моделированию. Подход к решению научных задач базировался на комплексировании разных методов, каждый из которых, как правило, хорошо отражает лишь отдельные стороны процесса. Использовались: метод эквивалентных материалов во всех его модификациях – методы традиционно сухих, водонасыщенных и термопластических материалов; поляризационно-оптический метод; метод клеточных автоматов;

аналитическое определение напряженного состояния, численное моделирование, инженерные методы расчета устойчивости районов покрытого карста. Сопоставление полученных данных проводилось на основе теории подобия и анализа размерностей. В качестве одной из важнейших разновидностей знакового моделирования использовалось также крупномасштабное инженерно-геологическое районирование, от которого во многом зависят результаты прогнозов устойчивости территории ожидаемой карстовосуффозионной опасности на локальном уровне.

Объект и предмет исследования. Объектом натурного и лабораторного изучения являются закарстованные территории, предметом – закономерности и механизмы провалов и оседаний. В качестве ключевых территорий выбраны районы покрытого карбонатного карста в Москве и сульфатно-карбонатного карста в Нижегородской области и Республике Татарстан (РТ). Учитывались также данные полевых исследований подземных и поверхностных карстовых форм и закономерностей их образования в Московской, Орловской, Рязанской, Тульской обл. и Республике Башкортостан.

Личный вклад автора в решение поставленных задач. Во всех перечисленных выше полевых, лабораторных и теоретических исследованиях автор принимал самое непосредственное участие, в последние годы – в качестве ответственного исполнителя или научного руководителя. Физическое моделирование – постановка задачи, создание опытных установок, проведение опытов, анализ экспериментальных данных, – а также разработка аналитических и расчетных методов определения напряжений и оценки устойчивости массивов – это заслуга автора. Ему же принадлежат анализ и обобщение результатов математического моделирования, выполненного Н.Б. Артамоновой с использованием модели Био и Е.Н. Коломенским с использованием клеточных автоматов.

Научная новизна работы состоит в следующих утверждениях:

1. На основании общих положений теории подобия и анализа размерностей получен кинематический критерий процессов, протекающих в поле сил тяжести и вязкости горных пород, который дает возможность определять характеристики натурных явлений и прогнозировать развитие последних во времени по результатам лабораторных опытов.

2. Впервые процессы, протекающие в покровной толще закарстованных массивов, исследовались методом термопластических эквивалентных материалов, что позволило установить влияние свойств и состояния экранирующих глинистых пластов на время и скорость провалообразования.

3. Предложены критерии и константы подобия уровней подземных вод, позволяющие исследовать силовое воздействие последних на массив горных пород методом водонасыщенных эквивалентных материалов. Технология проведения опытов сходна с технологиями базового метода эквивалентных материалов и фильтрационного лоткового моделирования, но имеет и свои особенности.

4. Показано, что при техногенном изменении уровней подземных вод действующей силой разрушения слабопроницаемых глинистых грунтов над ослабленными участками массива являются не силы вязкого трения, а избыточное гидростатическое давление в фильтрате, нормальное к поверхности скелета водовмещающих пород.

5. Время и форма проявления суффозии массы на поверхности толщи несвязных грунтов зависят от мощности толщи, плотности сложения грунтов и пролета карстовой полости.

6. Механизм истечения водонасыщенных, как и воздушно-сухих несвязных грунтов, в отверстие определяется их напряженным состоянием и фундаментальными свойствами – трением и дилатансией. Поровая вода влияет только на морфологию и кинематику процесса. Так, расход водонасыщенных песков в гидростатических условиях пропорционален диаметру полости в степени 2, а расход воздушно-сухих – 2.5.

7. На основе результатов многочисленных экспериментов и представлений о поведении сплошной и дискретной среды разработана кинематическая модель свободного истечения несвязных грунтов в подземные полости, позволяющая находить скорость процесса без привлечения трудно определяемых и по-разному трактуемых эмпирических коэффициентов.

8. Предложена генетическая классификация суффозии как гидрогеомеханического процесса, типы, подтипы и виды которого выделяются по факторам, условиям и, впервые, по механизмам развития процесса.

9. Разработанная применительно к районам ожидаемой опасности и апробированная на самых разных объектах гражданского и промышленного строительства методика оценки карстово-суффозионной опасности и риска сводится к четырем простым действиям, или этапам исследования. На 1-м – выполняется анализ инженерногеологических условий, на 2-м – районирование территории и схематизация массива в наиболее опасных таксонах, на 3-м – формулируется рабочая гипотеза, разрабатываются сценарии образования провалов, рассчитывается диаметр воронок. На 4-м этапе определяется интенсивность процесса и по существующим методическим документам вычисляется возможный ущерб.

Наиболее интересные, по мнению автора, научные результаты сформулированы ниже в виде защищаемых положений:

1. Базируясь на принципе суперпозиции в механике грунтов, напряженное состояние грунтовой толщи в окрестности карстовой или промежуточной полости можно представить в виде алгебраической суммы литостатических напряжений и напряжений, возникающих в аналогичной невесомой толще под действием нагрузки, компенсирующей давление грунтов по контуру полости. Это позволяет предложить простой аналитический метод определения начального напряженного состояния массива. С учетом механизма сводообразования над ослабленным участком этот метод применим и к расчету напряжений в динамике истечении несвязных и раздробленных связных грунтов в трещинно-карстовые коллекторы.

2. Существуют две формы разрушения связных грунтов над карстовой полостью:

а) классический механизм образования окна в водоупоре, или первая форма заключается в изгибе слоя с образованием трещин отрыва или свода обрушения, она имеет место над открытыми полостями достаточно больших размеров; б) механизм гидравлического разрушения слабопроницаемых пород, или вторая форма реализуется при снижении напора трещинно-карстовых вод и не требует наличия крупных карстовых полостей.

3. В окрестности полости даже изначально однородные изотропные породы приобретают внутреннюю структуру: в границах эллиптической области деформирования возникают зоны 1) обрушения, 2) разгрузки напряжений, 3) опорного давления и 4) перехода аномальных напряжений к литостатическим. При быстром истечении несвязных грунтов 1-й статической или квазистатической зоне отвечает зона свободного падения частиц, 2-й – зона преимущественного их столкновения и обмена импульсами, 3-й – зона развитого сухого трения, 4-й – зона разуплотнения. Эти зоны – структурные элементы, взаимодействуя и развиваясь, контролируют процесс и направляют его по пути снижения негативного влияния ослабленного участка и увеличения устойчивости массива.

Концепция зонального строения области влияния подземной полости играет важную роль в понимании процесса образования провалов и воронок оседаний 4. Модель образования воронок в несвязных грунтах и вытекающие из нее расчетные зависимости основаны: а) на утверждении, что базовым процессом является гравитационное деформирование сыпучей среды, б) на концепции зонального строения области влияния ослабленного участка, в) на закономерностях формирования сводов обрушения и разгрузки напряжений как проявлениях самоорганизации массива пород.

5. Сопоставление аккумуляционной емкости массива растворимых пород, объема области деформирования и количества грунтов, вынесенных в трещинно-карстовые коллекторы, позволяет выполнять оценку и прогноз устойчивости покровной толщи закарстованных массивов в районах нереализованной карстово-суффозионной опасности.

Практическое значение работы определяется новыми научными результатами, большинство которых реализовано в экспертных заключениях по объектам строительства в карстовых районах, заключениях по оценке карстово-суффозионной опасности и риска в Москве, Нижегородской области, а также в Республиках Татарстан, Саха, в Иркутской и Амурской областях. В качестве наиболее важных или известных объектов проектируемого строительства, где были использованы полученные результаты, можно привести новые линии метрополитена в Москве, Центральную кольцевую автомобильную дорогу Московской обл., Нижегородскую АЭС, нефтепровод “Восточная Сибирь – Тихий океан”.

Метод водонасыщенных эквивалентных материалов, разработанный автором в – 1988 гг., используется не только в России, но и за рубежом (Lei M. et al, 2005). Там же, но методами математического моделирования исследуется и установленная в экспериментах вторая форма разрушения водоупоров при (Salvati R. et al, 2001; Tharp T.M., 2002, 2003), которая положена в основу концептуальной модели растрескивания массива пород в период ливневых дождей (Sheng Z., Helm D.C., 1995).

Некоторые представления автора о поведении связных и несвязных грунтов в окрестности ослабленных участков массива вошли в методические рекомендации для инженеров-геологов (Саваренский И.А., Миронов Н.А., 1995) и в учебные пособия для студентов, обучающихся по специальности инженерная геология и гидрогеология (Дублянский В.Н. и др., 2011; Калинин Э.В., 2006). Они же послужили основой при написании некоторых разделов отчетов по государственным научно-исследовательским программам: ГПНТБ № 16 “Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф”, 1990–1995; ФЦНТП № 43.019.11.1638 “Предупреждение опасных процессов и снижение их воздействий на объекты и среду жизнедеятельности”, 2000–2005; ФЦП “Снижение рисков и смягчение последствий ЧС природного и техногенного характера в РФ до 2010 г.”, 2006–2010.

Достоверность полученных результатов и их апробация. О достоверности научных положений могут свидетельствовать большой объем и комплексный характер исследований, хорошее соответствие результатов моделирования и расчетов натурным данным, достаточно широкое использование результатов другими исследователями в своей работе, а также адекватное и непротиворечивое количественное объяснение некоторых фактов и явлений, обнаруженных в ходе инженерно-геологических изысканий и научных исследований. Имеются и случаи подтверждения наших прогнозов спустя несколько лет после того, как они были сделаны.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по проблемам инженерной геологии городов (Одесса, 1987); Всесоюзном совещании по методам изучения карста (Москва, 1989); семинарах по проблемам инженерного карстоведения в г. Дзержинске (1988, 1993, 2007, 2012); Х Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993); семинарах кафедры инженерной и экологической геологии Геологического факультета МГУ (1995, 2000); на заседании секции инженерной и экологической геологии МОИП (2001); Международном симпозиуме “Карстоведение – XXI век” (Пермь, 2004); Всероссийской конференции “Риск-2006”(Москва, 2006); на годичных сессиях Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения, 2007, 2009);

семинарах ИГЭ РАН (2007, 2011, 2013); на конгрессе 13-го Международного научнопромышленного форума “Великие реки” (Нижний Новгород, 2011); Международной конференции “EngeoPro-2011” (Москва, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликована 71 работа, в том числе, методическое пособие, разделы трех коллективных монографий и 17 статей в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 299 страниц состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 384 наименований. Она содержит 126 рисунков и 25 таблиц.

Автор глубоко признателен сотрудникам Института геоэкологии РАН и кафедры инженерной и экологической геологии Геологического факультета МГУ за содействие в работе и обсуждение полученных результатов. Хотелось бы особенно поблагодарить к.ф.-м.н. В.П. Мерзлякова и д.г.-м.н. Г.П. Постоева, внимательно прочитавших рукопись диссертации и сделавших ряд ценных замечаний, а также д.г.-м.н. В.П. Зверева, критические замечания которого способствовали написанию работы.

Большую помощь в постановке и организации лабораторных исследований на разных этапах автору оказали: д.г.-м.н. К.А. Гулакян, д.г.-м.н., проф. Э.В. Калинин – научный руководитель кандидатской диссертации, с которым у автора сложились самые теплые, дружеские отношения, к.г-м.н. В.Н. Кожевникова, д.г.-м.н. В.М. Кутепов, под руководством которого автор сделал свои первые шаги в изучении устойчивости закарстованных территорий, и д.г.-м.н., проф. В.Т. Трофимов. Эту помощь трудно переоценить.

Автор искренне благодарен д.г.-м.н., проф. Е.Н. Коломенскому, д.г.-м.н., проф. Г.Л.

Коффу, к.г.-м.н. М.В. Леоненко, д.г.н. Э.А. Лихачевой, к.г.-м.н. Е.Н. Огородниковой и д.г.-м.н. А.Л. Рагозину за помощь и поддержку при выполнении работы, а также д.ф.-м.н., акад. С.С. Григоряну, д.т.н. С.Б. Стажевскому, к.ф.-м.н. С.И. Тараканову, к.т.н. В.В.

Толмачеву и д.ф.-.м.н. Г.З. Шарафутдинову – за консультации.

Исследования выполнялись при поддержке гранта Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам в области охраны окружающей среды и экологии человека (1998–2000) и гранта РФФИ (05-05-64345-а, 2005–2007).

Глава 1. Карстово-суффозионные провалы как экзогенный геологический Ключевыми словами настоящей работы являются: карст, суффозия, провалы, локальные оседания и некоторые другие термины, которые разными авторами нередко трактуются по-разному. А поскольку “спор неуместен там, где мы расходимся в определении основных понятий”, необходимо вкратце остановиться на этом вопросе. Но количество публикаций, посвященных изучению только карста, огромно, а с учетом суффозии и проявлений этих процессов на земной поверхности оно, без преувеличения, стремится к бесконечности. Поэтому общепринятые положения приводятся ниже, как правило, без ссылок на список литературы. Ссылки использованы для того, чтобы обозначить фундаментальные работы по проблеме, подчеркнуть отличия в толковании явлений разными авторами, широкое или узкое значение термина и показать первоисточник, если он четко установлен.

1.1. Определение основных понятий и постановка проблемы Под карстом понимается процесс коррозии (растворения и выноса вещества), выщелачивания (избирательной коррозии) и отчасти эрозии (размыва) растворимых горных пород просачивающимися и подземными водами, а также обусловленные этим процессом явления – подземные и поверхностные аккумулятивные и эрозионные формы – натечные образования, брекчии, “известковая накипь”, полости, воронки, рвы и многие другие. Таким образом, термин “карст” трактуется двояко – и как процесс, и как явление.

водопроницаемых горных пород и движущихся агрессивных, то есть обладающих растворяющей способностью, подземных вод. Таким образом, из четырех основных водопроницаемость – относятся к породам и два – движение и растворяющая способность – к подземным водам. Поэтому карстовый процесс настолько же геологический, насколько и гидрогеологический процесс.

По составу карстующихся пород выделяют три основных литологических типа карста: соляной, гипсовый и карбонатный. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (320–360 г/л), средней (2.0–2.6 г/л) – сульфаты и наименьшей ( 0.01 г/л) – карбонаты. Таким образом, растворимость в этом ряду при переходе от одного типа пород к другому уменьшается примерно на 2 порядка [239]. Однако скорость выщелачивания in situ в первую очередь зависит от степени трещиноватости массива и скорости движения подземных вод, а также от их агрессивности, которая определяется главным образом содержанием свободной углекислоты и других минеральных и органических кислот в воде. Отсюда следует, что характер растительного покрова, рельеф местности, положение пьезометрических уровней, глубина залегания пород, их состояние и свойства зачастую намного сильнее влияют на интенсивность коррозии, чем состав растворимых пород [54, 121, 174]. Именно поэтому пласты каменной соли, обладающей высокой пластичностью и слабой проницаемостью, нередко используются для захоронения жидких токсических отходов, а монолитные гипсы и особенно ангидриты слагают водоупорные слои.

Базисом коррозии (карстования, карста) называется уровень, ниже которого практически нет циркуляции воды и, следовательно, карстовые формы не образуются.

Обычно он тесно связан с базисом эрозии, хотя в общем случае может и не совпадать с ним. Как правило, скорость карстового процесса уменьшается с глубиной и с удалением от базиса эрозии, что позволяет выделить гидродинамические зоны его развития (рис. 1.1).

Несмотря на некоторую условность такого выделения, оно помогает схематизировать геоморфологические, геологические и гидрогеологические условия, проследить историю и понять закономерности формирования карста.

Рис. 1.1. Гидродинамические зоны карста по Г.С. Золотареву (1983). Горизонтальные зоны (по Д. С. Соколову, 1962): I – аэрации с подзоной висячих вод Ia, II – сезонных колебаний уровня грунтовых вод (УГВ), III – полного водонасыщения с русловой подзоной разгрузки IIIa, IV – замедленного водообмена. Вертикальные зоны (по А. Г.

Лыкошину, 1968): 1 – присклоновая, 2 – придолинная, 3 – приводораздельная. Стрелками показано направление движения подземных вод. МУ, ПУ – меженный и паводковый уровни воды.

По времени образования различают современный, развивающийся в настоящее время, и имевший место в прошлые геологические эпохи, или древний карст. Определения “унаследованный” и “омоложенный”, на наш взгляд, говорят не столько о возрасте, сколько о характере, продолжительности процесса и, отчасти, о состоянии его подземных и поверхностных форм. Применительно к последним определения “молодые” и “старые” в разных регионах понимаются по-разному.

Представляется, что столь размытые границы возраста, не говоря уж о том, что понятие “древний карст” трактуется очень широко [274], не способствуют ранжированию поверхностных форм и, в конечном счете, оценке опасности и риска провалообразования.

В этой связи, следуя давно и прочно укоренившимся в геологии понятиям, предлагается современными и древними называть воронки, появившиеся соответственно в голоцене и до него. Современные же формы удобно подразделять на старые (до н.э.), молодые (н.э.) и свежие. Возраст последних устанавливается по результатам обследования местности, в том числе и аэровизуального, и опроса населения, а потому не превышает 50–100 лет, но чаще всего измеряется последними годами (см. раздел 1.2), в некоторых случаях – месяцами, неделями и даже днями.

По отсутствию или наличию нерастворимых покровных отложений выделяют открытый (голый) и покрытый (закрытый) карст. Карст первого типа, занимающий 9.5 % площади суши Земного шара [84], называется также, крымским или средиземноморский, второго (22 % площади суши [84]) – восточноевропейским, среднеевропейским, русским и уральским [174, 274]. Для инженера-геолога карст последнего типа представляет наибольший интерес не только потому, что имеет на Земле самое широкое распространение. Важнее то, что в отличие от голого карста районы его развития (в том числе и в Крыму, и в Словении, где находится плато “Карст”) наиболее благоприятны, если не сказать, пригодны, для их хозяйственного освоения и жизни человека в целом.

Общеизвестная сейчас защитная функция покровных образований, с одной стороны препятствующих поступлению атмосферных вод в растворимые отложения, а с другой – отражению карста на земной поверхности, хорошо показана, например, А.Ф. Якушевой (1948). Изучению устойчивости районов покрытого карста и посвящена настоящая работа.

Закончим на этом краткий обзор терминов, ключевым словом которых является “карст”. В следующих разделах мы неоднократно будем возвращаться к карстовой проблеме и подробнее рассмотрим некоторые ее аспекты. Заметим лишь, что наиболее полно библиография по вопросам карстоведения представлена в работах: Д.С. Соколова (1962), Г.А. Максимовича (1963), А.В. Ступишина (1967), Н. А. Гвоздецкого (1972), А. Г.

Чикишева (1979), В.П. Хоменко (1986, 2003), J. G. Newton (1987), Д.А.Тимофеева, В.Н.

Дублянского и Т.З. Кикнадзе (1991), В. Н. Дублянского и Г. Н. Дублянской (2004), W.

Zhou, B.F. Beck (2008).

Термин “суффозия”, или в переводе с латинского “подкапывание”, впервые предложен А. П. Павловым (1899) для обозначения процесса растворения солевых включений и выноса водой мелких и тонких частиц из рыхлых горных пород. С тех пор суффозию, вслед за ним, подразделяют по характеру разрушения грунтов на два типа – химическую и механическую [99, 104, 140, 166, 181, 205, 271, 295 и др.]. Подтипы выделяются по условиям движения подземных вод, которое определяет интенсивность выщелачивания или степень силового воздействия на горные породы. Условия движения, в свою очередь, зависят от того, в каких коллекторах – трещинах или порах – находятся эти воды. Соответственно в каждом типе различают два подтипа – трещинный и поровый для первого типа, подземная эрозия и фильтрационное разрушение – для второго (рис.

1.2). Причем фильтрационное разрушение может быть полным – массовая суффозия, или суффозия массы по Н.М. Бочкову (1936) и частичным – поровая, или внутрипоровая по В.С. Истоминой (1957), суффозия. В этой связи большого внимания заслуживают работы [162, 168, 322, 363], в которых затрагиваются вопросы двойной – трещинной и поровой – проводимости пород.

Рис. 1.2. Классификация суффозии по характеру разрушения горных пород (по В.П.

Хоменко, 2003).

В настоящее время суффозия чаще всего рассматривается как вынос глинистых, пылеватых и мелких песчаных частиц потоком подземных вод. Эта, частичная механическая, суффозия может приводить к фильтрационным деформациям рыхлых отложений, то есть к массовой суффозии, а также к размыву заполнителя подземных полостей и трещин в скальных и полускальных породах. Именно суффозия массы, а также размыв заполнителя считаются наиболее опасными разновидностями процесса [27, 66, 79, 110, 117, 137, 155, 158, 165, 169, 171, 175, 185, 191, 192, 271, 281, 297, 307, 308, 326, 331, 333, 334, 345, 352, 354].

Иногда специально выделяют так называемую суффозию в лессовых грунтах [147, 157]. Но есть и примеры самого широкого толкования этого термина [28–30, 50, 216, 227, 295, 296]. Более подробно этот вопрос рассматривается в разделе 5.7 в связи с общей проблемой классификации процесса. Заметим только, что в настоящей работе главное внимание уделяется суффозии массы, или массовой суффозии, которая трактуется как процесс истечения несвязных грунтов в подземные полости. Его изучению посвящены четвертая и пятая главы.

Результатом суффозионного процесса, также как и карстового, являются подземные и поверхностные эрозионные и аккумулятивные формы – полости, зоны разуплотнения, открытые и заполненные трещины, воронки, ниши, конусы выноса и другие формы.

Наиболее полно они, как, впрочем, и процесс в целом, рассмотрены в работе В.П.

Хоменко (2003), которая содержит общую вербальную теорию этого, по сути дела, физико-химического процесса. В ней же поднимаются или затрагиваются многие вопросы, требующие дальнейшего изучения. Они относятся, в частности, к фильтрационному разрушению дисперсных пород, использованию моделей сплошных и дискретных тел, взаимосвязи процессов истечения сухих и водонасыщенных несвязных грунтов, вероятностно-детерминированным прогнозам суффозии.

Определение “карстово-суффозионный” появляется в научной литературе в конце 1940-х гг. применительно к поверхностным формам покрытого карста [112, 136, 196, 208, 255, 265 и др.]. В 1960-е гг. оно широко используется отечественными карстоведами для обозначения воронок, образовавшихся на поверхности покровной толщи закарстованных массивов [113, 137, 138, 174, 208, 255, 265 и др.]. Синонимами термина “карстовосуффозионная воронка” служат: “коррозионно-суффозионная воронка” и “воронка просасывания” [274].

Позже возникает понятие “карстово-суффозионные процессы”, под которыми подразумеваются все рассмотренные выше процессы, приводящие к провалам и оседанию земной поверхности в районах покрытого карста. При этом собственно карстовый процесс может и не играть существенной роли, а учитываться лишь постольку, поскольку его подземные формы принимают и аккумулируют обломочный материал. Именно такой смысл обычно вкладывается сейчас в вышеназванное понятие [127, 142, 143, 154, 211, 212, 235, 282, 295, 374, 384 и др.].

В этой связи неприятие термина “карстово-суффозионные процессы”, например, для территории Москвы (В.Т. Трофимов, 2009) вызывает удивление, тем более что имя прилагательное составлено по всем правилам русского языка: ключевое слово стоит на последнем месте. Тем самым подчеркивается, что в отличие от суффозионно-карстовых процессов определяющую роль играет суффозия. Еще большее удивление вызывают словосочетания “карстовая опасность”, “карстовые провалы”, “карстовые деформации”, когда рассматривается формирование воронок на поверхности мощной (до 50–70 м и более) толщи глинисто-песчаных грунтов, перекрывающих растворимые породы, как например, в Нижегородской области [132, 134, 256, 281, 289] или в Республике Татарстан [87, 229, 370].

Представляется, что речь должна идти о карстово-суффозионном процессе, а не процессах, хотя формы его реализации в массиве и на дневной поверхности могут быть самыми разными в зависимости от геологического строения, состава и свойств пород, геоморфологических и гидрогеологических условий (см. раздел 1.2). В настоящей работе под карстово-суффозионным процессом будем понимать гравитационное и фильтрационное деформирование и разрушение покровной толщи закарстованных массивов в результате выноса несвязных и раздробленных связных грунтов в трещиннокарстовые коллекторы, учитывая, что этот комплексный процесс может развиваться и на фоне заметного увеличения аккумуляционной емкости растворимых пород за счёт их выщелачивания.

Как упоминалось, прилагательные “карстово-суффозионный” или “карстовый” в настоящее время часто употребляются с существительным “опасность”, под которой в первую очередь и главным образом понимается угроза поражения территорий, хозяйственных объектов и населения провалами [1, 23, 58, 93, 130, 142, 156, 226, 227, 229, 327, 333, 356]. Ее вероятностной мерой, установленной для определенного объекта (реципиента риска) в виде возможных потерь (ущерба) за заданное время [226, 278, 337, 339, 348], служит карстово-суффозионный риск (см. разделы 1.4, 6.2).

По отношению к реципиентам негативного воздействия карстово-суффозионный риск может быть физическим (потери земельных угодий), экономическим (повреждение, разрушение зданий и сооружений), социальным (травмы или гибель людей) и экологическим (ущерб живой и неживой природе) [87, 226, 229, 235, 342]. С учетом данных, которые приводятся в работах [7, 83, 132, 134, 141, 142, 165, 186, 279, 287, 327, 379], оценка экологического риска представляется наиболее сложной задачей ввиду большой комплексности этой проблемы и неоднозначного влияния воронок на те или иные компоненты биоты и окружающей среды в целом.

Свойство реципиентов риска утрачивать способность к выполнению своих естественных или заданных функций в результате развития карстово-суффозионного процесса определенной интенсивности и продолжительности называется уязвимостью.

Уязвимость выражается долей физических, экономических, социальных или экологических потерь объекта при поражении провалами максимального и среднего диаметров [226, 235, 278, 338]. Вопросы оценки карстово-суффозионного риска и пути решения некоторых из них рассматриваются в последнем разделе этой главы.

Завершая обзор, сформулируем основные представления о главном объекте нашего исследования – проявлениях карстово-суффозионного процесса на земной поверхности.

Наиболее полная и стройная классификация всех форм – поверхностных и подземных – приведена в работе [295]. Тем не менее, существует, на наш взгляд, некоторая нечеткость или неопределенность постановки этой проблемы, обусловленная не в последнюю очередь двояким пониманием термина “провал”.

Если провал рассматривать как явление (воронку с обрывистыми вертикальными, иногда с обратным уклоном, стенками), то неясно, по какому принципу – морфологическому или генетическому – выделяются поверхностные формы. Ведь провал как процесс, и это общепринятое положение, подразумевает обрушение горных пород над карстовой или промежуточной (сформировавшейся в нерастворимых отложениях) полостью.

В этой связи предлагается любые замкнутые отрицательные формы поверхности покровной толщи закарстованных массивов именовать воронками, а дальше подразделять их так, как это показано в табл. 1.1. К первому генетическому типу относятся эрозионные воронки. Они образуются вследствие локализации поверхностного стока, например, в местах пересечения трещин и чаще всего наблюдаются в породах, обладающих некоторой связностью. Поэтому они бывают цилиндрическими или коническими, отличаются небольшими размерами в плане и называются также понорами. Отношение их глубины к ширине, как правило, намного больше, чем у воронок других генетических типов.

Таблица 1.1. Классификация эрозионных форм проявления карстово-суффозионного процесса на земной поверхности по генетическому и морфологическому признакам IV. Смешанный (сложный, 1–5) 4. Блюдцеобразный (II, IV) Примечание: в скобках показана взаимосвязь генетических и морфологических типов;

направление одинарных стрелок указывает на увеличение возраста воронок, двойных – на увеличение опасности.

Суффозионные воронки в разрезе могут быть коническими, чашевидными и блюдцеобразными. Синонимом свежих воронок последнего морфологического типа служит “воронка оседания”, предпоследнего – “просадка”. Форма воронок этого генетического типа подробно обсуждается в разделах, посвященных экспериментальному изучению суффозии.

Провальные воронки, или воронки обрушения бывают цилиндрическими, коническими, чашевидными и сложного строения, хотя две последние формы больше характерны для воронок смешанного генезиса (табл. 1.1). Сложное строение предполагает комбинацию простых форм. Например, в нижней части воронка может быть цилиндрической, а в верхней – конической, и наоборот. Отметим, что вертикальность стенок не означает, что угол их наклона к горизонту составляет точно 90°. Он может быть равным и 80°, и 110° – речь идет не о морфометрических показателях, а о визуальном восприятии явления геологом. Поэтому воронки с обратным уклоном стенок и конические воронки с углом наклона бортов, скажем, 85° будем относить к цилиндрическому типу.

Это ни в коей мере не противоречит необходимости количественной характеристики поверхностных форм при обследовании территории. Просто, классифицирование как одна из разновидностей мысленного моделирования предполагает некоторую схематизацию натурных условий [115, 124, 190, 240].

Появление воронок любого генетического типа сопровождается прогибом земной поверхности, поэтому не будем выделять воронки прогиба в самостоятельный генетический тип. Для этого есть и другие основания.

Несомненно, изгиб пластов горных пород как следствие возникновения моментов сил в окрестности ослабленного участка массива представляет собой один из наиболее важных механизмов провалообразования. Но это механизм элементарного уровня. Он, как и формирование свода разгрузки или локализация деформаций непосредственно связан с напряженным состоянием массива и отличается от таких комплексных механизмов, или процессов, как эрозия, суффозия и обрушение. Заметим попутно, что термин «провалообразование» используется нами, когда нужно подчеркнуть, что речь идет именно о процессе, который может завершиться и на стадии подготовки провала. И в этом смысле его синонимом в большей степени является понятие “карстово-суффозионный процесс”, нежели “провал” как процесс образования поверхностных форм.

Рассмотренная выше классификация обращает наше внимание на то, что нужно быть очень осторожным, относя воронку к тому или иному генетическому типу на основании лишь ее формы. Характерным примером служит суффозионная воронка, показанная на рис. 1.3, ошибочно отнесенная к провальному типу только потому, что обрушилось асфальтовое покрытие в ее центральной части [155, 183].

В заключение несколько слов о форме воронок в плане, поскольку этот вопрос очень важен при количественной оценке карстово-суффозионной опасности и риска. Следуя Руководству (Саваренский И.А., Миронов Н.А., 1995), будем различать округлые (круглые), овальные, вытянутые (линейные) и сложные поверхностные формы. При такой схематизации площадь трех первых форм с достаточной для практических оценок точностью легко находятся из выражений: Ss = D2/4, Ss = ab/4, Ss = ab, где D – диаметр, b, а – большая и малая оси эллипса (овала) или длина и ширина линейной формы.

Площадь сложной воронки представляет собой площадь составляющих ее простых форм за вычетом площади их пересекающихся частей. В отдельных случаях границы сложных воронок могут быть аппроксимированы простой геометрической фигурой, для которой и рассчитывается их площадь.

Рис. 1.3. Карстово-суффозионная воронка (1), образовавшаяся в мае 1987 г. у дома 17/1 по ул. Тухачевского в Москве: а – вид сбоку на фасад дома (2), б: вид на проезжую часть.

Форма, размеры воронок и частота их образования тесно связаны с геологическим строением, геоморфологическими и гидрогеологическими условиями, гидрологическим режимом территории. В следующем разделе этот вопрос рассматривается на примере трех участков Бугульминской возвышенности, где в ходе полевых и камеральных работ 2005– 2008 гг. изучено около двухсот поверхностных форм карста и тридцати естественных и искусственных обнажений. Пройдено 9 шурфов длиной до 10 м и глубиной до 3 м, отобраны монолиты и пробы грунта, выполнен комплексный анализ состава, физических, физико-механических свойств и возраста пород, выполняющих карстово-суффозионные воронки [24, 25].

1.2. Поверхностные формы карста и инженерно-геологические условия Воронки на востоке Республики Татарстан (РТ) чрезвычайно разнообразны по форме, размерам, времени, условиям и механизму образования, а также по своему современному состоянию. Однако далеко не все они являются поверхностными проявлениями карста (рис. 1.4). Поэтому, оценивая карстово-суффозионную опасность и риск по результатам визуальных обследований местности, а тем более – дешифрирования космоснимков, нужно отдавать себе отчет, что значения риска будут завышенными.

Рис. 1.4. Форма, размеры и ориентация воронки глубиной 0.6 м, вскрытой шурфом глубиной до 3.0 м в 0.5 км на ЮЗ от пос. Чекан в Азнакаевском районе РТ (а). Строение воронки в СЗ (б) и ЮВ (в) стенках шурфа и вид последнего со стороны ЮЗ торцевой стенки (г), д – “карман” крупным планом: 1 – лёссовидные суглинки, 2 – формирующиеся почвы, 3 – глыбы и щебень зеленоватых песчаников казанского яруса средней перми, 4 – продукты выветривания песчаника – сизый и голубовато-серый пылеватый материал (в коренном залегании песчаники казанского яруса встречаются в нескольких км на СВ и ЮЗ от пос. Чекан, см. рис. 1.9).

Типичным районом, в котором провалы возникают или активизируются в наши дни, является территория Восточного Предкамья в окрестностях пос. Салауш. Этот северный участок относится к Нижнеикскому району Бугульминско-Белебеевского карстового округа [306]. Поселок расположен на первой надпойменной террасе (нпт) р. Иж с абс.

отметками 70–80 м в 2-х км от реки и в 3-х км от Нижнекамского водохранилища (рис.

1.5).

На СВ окраине поселка находится озеро длиной около 300 м и шириной 100–150 м.

Его берега – низкие, заболоченные, лишь северо-западный участок – высокий (3-5 м), обрывистый. По словам старожилов, обрыв здесь сформировался в мае 1979 г., когда относительно пологий склон вместе с деревьями высотой до 10 м ушел под воду. Диаметр (Dв) провала равнялся примерно 50 м, а глубина (hв) превысила 10 м. Озеро в этот момент “кипело и бурлило”, стоявшие рядом деревянные дома разрушились. Через несколько лет водолазы МЧС обнаружили на дне озера затопленные деревья и три ключа, вода которых была “очень холодной”.

Рис. 1.5. Геологическое строение северного участка: 1 – административная граница РТ, 2 – геологические границы; воронки, выделенные по результатам дешифрирования космоснимков: 3 – диаметром < 100 м ((Dв)ср = 65 м), 4 – диаметром 100 м ((Dв)ср = м); 5 – точки полевых обследований 2006 г.; 6 – населенные пункты, 7 – береговая линия;

P2ss, P2kz1, P2kz2 – пермская система, средний отдел, уфимский (ss – шешминский горизонт) и казанский ярусы (kz1, kz2 – нижний и верхний подъярусы); N2а – неогеновая система, плиоцен, акчагыльский ярус.

Рис. 1.6. Просадка земной поверхности на месте засыпанной воронки, образовавшейся весной 2002 г. в пос. Салауш по ул. К. Маркса, 11 (а) и оседание склонов старых карстовых воронок по ул. Советской (б) (фото А.С. Чумаченко).

В самом поселке отмечены небольшие свежие воронки (Dв = 2–3 м, hв 1 м), а склоны крупных (Dв 50 м, hв > 4–5 м) воронок с озерками на дне постоянно опускаются, и сами воронки постепенно “подбираются” к домам (рис. 1.6). В 1990–2006 гг. скорость оседания поверхности старых провалов, по нашим данным, составляла 10–15 см/год.

Неравномерно оседает и поле на южной окраине пос. Салауш. Местные жители рассказывают, что в конце прошлого века «ямы» очень мешали работе поливальных агрегатов. Землю разравнивали, блюдцеобразные воронки засыпали, но они возникали вновь и вновь. Любопытно также, что раньше во время половодья поселок затапливался, но вот уже примерно 20 лет этого не происходит.

На междуречье рек Мензеля и Мелля (рис. 1.7) в их верхнем течении (абс. отметки 150–240 м) развиты в основном древние и современные старые (образовавшиеся до н. э.) провалы. Этот центральный участок носит название Рангазарского и принадлежит к Мензеля-Шешминскому карстовому району [306]. Здесь между поселками Альметьево и Рангазар на востоке, Муртыш-Тамак, Кульметьево и Сарайлы на западе обследовано более 50 древних и старых воронок.

Рис. 1.7. Геологическое строение центрального участка: P2u – терригенные отложения уфимского яруса средней перми, aQE – аллювиальные отложения эоплейстоцена.

Остальные обозначения см. на рис. 1.4.

Рис. 1.8. Древняя чашевидная (а) и старые конические (б) воронки на водораздельной поверхности рек Мелля и Мензеля.

Самые крупные формы (D = 60–100 м, h = 16–20 м) имеют не только блюдцеобразный и чашевидный, но и конический профиль (рис. 1.8). Относительно небольшие понижения (Dв 30 м, hв 9 м) – чашевидные. Попадаются и молодые воронки с размерами Dв 3–8 м, hв = 0.5–1.5 м.

Дно подавляющего большинства воронок сухое, заросшее деревьями, кустами, крапивой или болотной травой, иногда из-за регулярного затопления весной и осенью оно лишено растительности (рис. 1.8). Озерца встречаются только в карстовых котловинах и в воронках вблизи пос. Рангазар на отметках 160–180 м. Свежие воронки не обнаружены.

Некоторые признаки современной активизации провального процесса – мелкобугристый (“изрытый”) рельеф, воронки со сползшим на бровках дерном, обрывы в бортах извилистых ручьев и эрозионно-карстовые ступени в днище оврагов встречены только вблизи пос. Рангазар.

На левом берегу р. Ик между поселками Стярле на севере и Каразерик на юге обследовано более ста древних и современных, в том числе и свежих поверхностных карстовых форм (рис. 1.9). Этот южный участок относится к Икско-Усенскому карстовому району [306].

Рис. 1.9. Геологическое строение южного участка: 1 – точки полевых обследований года. Остальные обозначения см. на рис. 1.5, 1.7.

Воронки здесь преимущественно молодые, чашевидные (Dв = 2–30 м, hв = 0.5–3.5 м).

Они образуют карстовый пояс длиной более 20-ти км и шириной 2–6 км, вытянутый вдоль 1 и 2 нпт (абс. отметки 94–100 м). Распределение провалов в этом поясе неравномерное.

Местами на участках длиной 0.5–1.5 км и шириной до 150–250 м их кучность настолько увеличивается, что они сливаются в карстовые цепочки, поля и котловины, часто приуроченные к тыловым швам 1 и 2 нпт (рис. 1.10, а). Дно молодых воронок обычно сухое. К древним понижениям с размерами в плане до 80–100 м и более приурочены озера (рис. 1.10, б). Глубина таких форм до уреза воды составляет 1–4 м.

Рис. 1.10. Цепочка молодых воронок (а) и древние карстовые озера (б) на левом берегу р.

Ик (фото А.С. Чумаченко).

Рис. 1.11. Строение провальной воронки, образовавшейся в мае 1990 г. в 3-х км западнее пос. Константиновка (абс. отметка 98.0 м).

Суглинки: 1 – черно- и коричневато-серые полутвердые с дерновым покрытием (0.25-0. м) на поверхности, 2 – рыжевато-коричневые тугопластичные, 3 – пятнистые пластичные;

4 – канал обрушения (пунктирной линией показана предполагаемая граница канала, разделяющая суглинки 1 и 3), 5 – трещины бортового отпора, 6 – плоское дно, 7 – борта воронки со свежими заколами, 8 – граница шурфа, пройденного в 2005 г.

Из 5-ти воронок, образовавшихся здесь в последние 5–35 лет, две появились на пойме (абс. отметки 87–90 м) в 1997 г. и в начале лета 2002 г. Обе имеют сложную форму.

Та, что постарше – сухая, шириной 10–12 м и глубиной 1.5-2 м, другая (Dв = 13–14 м, hв = 1.5–2.5 м) – заполнена водой. Остальные свежие воронки – округлые чашевидные (Dв = 3– 8 м, hв = 1–2 м) – расположены на поверхности 2 нпт р. Ик (рис. 1.11).

Геологические условия, возможные причины и механизм образования провалов Общепризнано, что поверхностные проявления карста на востоке РТ связаны с выщелачиванием сульфатно-карбонатных пород нижней перми [107, 108, 113, 122, 186, 250, 251, 265].

На северном участке нижнепермские отложения залегают на глубине 80–100 м и представлены известняками и доломитами с прослоями гипсов, ангидритов, глин и песчаников сакмарского яруса. Они перекрыты достаточно мощной (60–70 м) верхнепермской толщей красноцветных песчаников, алевролитов и глин с подчиненными прослоями сульфатно-карбонатных пород. Это – толща шешминского горизонта уфимского яруса и нижнеказанского подъяруса.

Рис. 1.12. Схема корреляции геологических разрезов северного (1), центрального (2) и южного (3) участков.

Пермская система: P1s, P1k – нижний отдел, сакмарский и кунгурский ярусы; P2u, P2kz1, P2kz2 – средний отдел, уфимский и казанский ярусы (kz1, kz2 – нижний и верхний подъярусы); N2а – плиоцен, акчагыльский ярус; Q – четвертичная система. 1 – пески, супеси, суглинки; 2 – алевриты, пески, галька; 3 – песчаники; 4 – алевролиты; 5 – глины, аргиллиты; 6 – известняки; 7 – доломиты; 8 – гипсы; 9 – ангидриты.

Выше залегают песчано-глинистые аллювиальные четвертичные осадки мощностью 20–30 м (рис. 1.12). Обращает на себя внимание тот факт, что верхнепермские отложения в районе пос. Салауш развиты не повсеместно. Они сохранились в пределах вытянутого в СВ направлении останца коренных пород шириной 3.5 км и длиной 9 км, ограниченного палеодолинами р. Варзи на СЗ и р. Иж на ЮВ, выполненными песчано-глинистыми отложениями акчагыльского яруса плиоцена (см. рис. 1.5).

Неогеновые речные врезы служили базисом коррозии в эпоху интенсивного развития карста на рубеже миоцена и плиоцена [250, 251]. В их днище и на склонах дочетвертичные карстовые формы накладывались на более древние, активизируя затухающий к тому времени карстовый процесс. По-видимому, этим объясняется то, что вблизи пос. Салауш в отложениях сакмарского яруса бурением вскрыты мощные (до 25 м) прослои разрушенных брекчиевидных известняков [113], а на глубине 173 м – полость высотой 32 м [107]. Учитывая, что протяженность карстовых полостей обычно во много раз превышает их поперечные размеры, можно предположить, что на глубине 100 м и более вышеупомянутый останец пермских пород поражен системой связанных между собой пещер. Тем не менее, принимая во внимание большую мощность верхнепермских пород и высокие показатели их физико-механических свойств, трудно ожидать, что обрушение кровли даже столь крупных ослабленных зон быстро достигнет земной поверхности. Процессы гравитационного разрушения, разрыхления и суффозионного выноса верхнепермских пород над ослабленными зонами растворимых нижнепермских отложений протекали как минимум в течение плиоцена и неоплейстоцена. К началу голоцена они проявились на земной поверхности в виде карстовых форм, именуемых в настоящее время древними, и сформировали в мощной толще песчаников, алевролитов и аргиллитов промежуточные полости и зоны разуплотнения. Так были подготовлены условия для образования современных воронок.

Есть данные [108], что провалообразование здесь имело место и в 1950-х годах, то есть до строительства ГЭС (1963 г.). Но полагаем, что “спусковым крючком” активизации процесса послужило заполнение Нижнекамского водохранилища. В естественных (нижнепермских) вод практически совпадали и находились на глубине 7–15 м от дневной поверхности [112]. Разность уровня и напора, а следовательно, и направленное вниз гидродинамическое давление (см. формулу (5.37) раздела 5.7) не превышали значений 0.5 м и 5103 Н/м2 (5 кПа) соответственно.

Градиент подпора воды в Куйбышевском водохранилище в среднем составляет 0. м/км. Считая в первом приближении это значение справедливым и для Нижнекамского водохранилища, нетрудно показать, что при его заполнении в 1979 г. на 8 м (до абс.

отметки 62 м) разность напоров подземных вод и гидродинамическое давление в окрестностях пос. Салауш увеличились более чем в десять раз – до 5.5–6.5 м и (5.5– 6.5)104 Н/м2. Очевидно, такое изменение действующей силы оказалось достаточным, чтобы резко активизировать нисходящую суффозию четвертичных грунтов и подготовленных ранее верхнепермских песчано-глинистых отложений. Вполне возможно, что поступление пресной воды из водохранилища в нижнепермский водоносный горизонт усилило и выщелачивание сульфатно-карбонатных пород, то есть собственно карстовый процесс, однако этот вывод требует проведения специальных исследований.

На центральном участке исследуемой территории мощность четвертичных отложений мала. На водораздельных поверхностях она составляет 0–2 м, а в долинах рек не превышает 2–8 м. Современные накопления подстилаются преимущественно терригенными отложениями казанского яруса мощностью 30–50 м и шешминского горизонта уфимского яруса мощностью 50–60 м (рис. 1.12). Нижнепермские известняки и доломиты кунгурского яруса с прослоями гипсов и ангидритов залегают на глубине 90– закарстованностью. Коэффициент их линейной трещинно-карстовой пустотности, судя по выходу керна трех расположенных на участке глубоких скважин, составляет 0.67–0.85.

Пусть мощность отложений нижней перми составляет 100 м, а значения линейной и объемной закарстованности примерно одинаковы. Тогда их аккумуляционная емкость – способность накапливать кластический материал [13, 15, 18] – на площади 1 км2 составит (67–85)106 м3. Иначе говоря, даже с учетом разрыхления горных пород уже существующие древние карстовые формы могут принять примерно половину объема всей перекрывающей толщи. Если же мощность закарстованных пород равна 200 м, то вся эта толща может быть захоронена в подземных полостях.

Важно, что коэффициент пустотности прослоев (3–7 м) известковистых песчаников вышележащего уфимского яруса также очень высок (0.75–0.80), хотя его средние значения для отложений этого яруса заметно ниже (0.40–0.55). Вверх по разрезу коэффициент пораженности уменьшается и в нижнеказанских породах не превышает значений 0.2–0.4, а в верхней двадцатиметровой толще равен нулю. Таким образом, ослабленные зоны в нижнепермских отложениях отражаются на состоянии перекрывающих их нерастворимых пород, однако с удалением от очага возмущения это отражение заметно ослабевает.

При изучении песчаников и алевролитов казанского яруса верхней перми в естественных и искусственных обнажениях отмечены многочисленные субвертикальные трещины и зоны дробления шириной 0.5–50 см (рис. 1.13, а). Их стенки покрыты известковистой “накипью”, внутри них породы разбиты тонкими трещинами до состояния щебня и песка. На пересечении тектонических и субгоризонтальных литогенетических трещин встречены ниши высотой до 1 м и сводообразные полости с размерами 0.15– 0.35 м, уходящие вглубь массива (рис. 13, б). Измеренная длина этих ходов достигает 4 м.

Поверхность коренных выходов песчаника и сместившихся глыб часто имеет бороздчатую форму и усеяна округлыми отверстиями диаметром 0.5–2 см и длиной 1– 5 см. Издалека такие песчаники можно принять за кавернозные известняки-ракушечники.

Рис. 1.13. Субвертикальные трещины (а) и полость (б) в верхнеказанских терригенных породах на высоте 231.0 м в 1 км северо-восточнее пос. Сарайлы.

Таким образом, и на центральном участке мы сталкиваемся с типичными проявлениями карстово-суффозионного процесса как внутри массива, так и на его поверхности. Без специального анализа химического состава и режима подземных вод трудно судить об интенсивности карстования нижнепермских отложений в наши дни.

Важно другое: объем полостей в них настолько велик, что они уже сейчас могут принимать и аккумулировать огромный объем разрушенных нерастворимых пород.

Наличие зон ослабления массива на глубине 90–110 м и более приводит к изменению напряженного состояния и обрушению вышележащих пород, о чем свидетельствует уменьшение коэффициента пустотности вверх по разрезу. Механическое разрушение развивалось в течение длительного геологического времени, вероятно, развивается и сейчас, но с меньшей скоростью, хотя бы потому, что аккумуляционная емкость закарстованных отложений при этом уменьшается.

В настоящее время под действием богатых углекислотой атмосферных осадков карбонатный цемент верхнепермских терригенных пород, залегающих практически с поверхности, растворяется. Возможно, этот процесс следовало бы отнести не к химической суффозии, а к карсту (см. раздел 5.6). После нарушения цементации пески и алевриты выносятся в подземные полости, то есть имеет место механическая суффозия.

Однако протекает карстово-суффозионный процесс крайне медленно, а техногенное воздействие на верхние горизонты массива здесь невелико, поэтому свежие воронки на поверхности большей части центрального участка не наблюдаются. Признаки современной активизации процесса в окрестности пос. Рангазар объясняются близостью погребенной долины р. Мелля (см. рис. 1.7) и, следовательно, иными, по сравнению с рассмотренными выше, геологическими условиями.

Южный участок расположен в пределах древней долины р. Ик (рис. 1.9). Здесь под четвертичными аллювиальными суглинками и супесями мощностью 2–10 м (редко больше) залегает верхнеплиоценовый аллювий с максимальной мощностью 90–100 м в тальвеге палеовреза. Он представлен глинами, алевритами, песками с гравием и галькой в основании. Кайнозойские породы подстилаются отложениями уфимского яруса, по составу аналогичными тем, что представлены на других участках. Их мощность в результате древней и современной эрозии снижена до 30–40 м. Под ними на глубине 60– 70 м лежат карстующиеся породы кунгурского яруса (рис. 1.12).

Обращает на себя внимание, что практически все древние и современные (старые и молодые) воронки приурочены к бортам погребенной долины, где мощность акчагыльских накоплений не превышает 20–40 м. Свежие же провалы тянутся вдоль бровки СВ склона, где эта мощность еще меньше – 0–20 м (см. рис. 1.9).

Карстово-суффозионная опасность и инженерно-геологические условия В качестве показателей карстово-суффозионной опасности примем плотность воронок KN = N/S (N – количество поверхностных карстовых форм, S – площадь участка) и пораженность территории провалами KS = s/S (s – суммарная площадь воронок). Для центрального участка KN = 0.58 км2, KS = 0.24 %, для южного – KN = 1.27 км2, KS = 0.77 %. Северный участок детально не изучался, но, судя по космоснимкам и результатам обследования, эти количественные характеристики опасности для него даже выше, чем для южного участка.

Все три участка приурочены к погребенным речным врезам миоценового возраста, которые во многом определяют условия залегания, строение и состояние горных пород, а также режим фильтрации. Сами же врезы находятся в областях устойчивого воздымания и тесно связаны с крупными разрывными нарушениями. Таким образом, здесь прослеживается опосредованное влияние структурно-тектонических условий на степень закарстованности пород и пораженности территории воронками, которое, как, впрочем, и прямое влияние, хорошо показано в работах [55, 120, 121, 215, 378].

С точки зрения устойчивости территории в плохих условиях находятся южный участок и пос. Салауш, заложенный на узком останце палеозойских отложений между двумя близко расположенными палеодолинами, в хороших – водораздельная поверхность рек Мензеля и Мелля, удаленная от их погребенных врезов.

Максимальная мощность пород, перекрывающих интенсивно закарстованные отложения нижней перми, наблюдается на центральном участке (90–110 м). На северном – она средняя (80–100 м), а на южном – минимальная (60–70 м). Причем в первом случае практически вся покровная толща представлена скальными грунтами, а в двух последних – на их долю приходится только 60–70 м и 30–40 м соответственно (рис. 1.12). Верхние 20–30 м разреза опасных территорий со свежими проявлениями карста на земной поверхности сложены грунтами кайнозойского возраста, устойчивость которых к разрушению намного меньше, чем у палеозойских пород.

Таким образом, даже при одинаковой аккумуляционной емкости нижнепермских отложений, северный участок в карстово-суффозионном отношении представляет наибольшую опасность по совокупности следующих признаков: высокая (вследствие развития древних процессов речной эрозии, карстования и обрушения) раздробленность верхнепермской толщи, ее не очень большая мощность и интенсивное техногенное воздействие из-за близости Нижнекамского водохранилища. Южный участок, несмотря на низкий уровень антропогенной нагрузки, не менее опасен, так как состояние слагающих его верхнепермских пород примерно такое же, а их мощность в два раза меньше. Оценка устойчивости центрального участка по тем же самым признакам позволяет утверждать, что карстово-суффозионная опасность здесь может оставаться потенциальной, то есть никак не проявляться на земной поверхности, в течение неопределенно долгого времени.

Большое влияние на величину провальной опасности оказывает также естественный режим поверхностных и подземных вод. Его максимальное изменение приходится на весеннее половодье. В начале этого периода уровень верхнего водоносного комплекса, приуроченного к кайнозойским и среднепермским отложениям, быстро повышается вслед за подъемом уровня воды в реках, а напор нижнего – остается прежним. Начинается вынос песчано-глинистого материала в трещинно-карстовые коллекторы палеозойских пород и формирование зон разуплотнения и промежуточных полостей в нерастворимой толще кайнозойского возраста. По мере выравнивания напоров интенсивность этого процесса уменьшается, однако в течение нескольких десятков или сотен лет такие ослабленные участки могут подняться близко к дневной поверхности.

Как увеличение, так и падение уровня грунтовых вод, которое наблюдается в конце весеннего половодья – начале летней межени, вызывают изменение напряженного состояния верхней части зоны насыщения, ее обводнение или осушение, схлопывание суффозионных полостей и провалы земной поверхности. Именно этим объясняется тот факт, что почти все свежие воронки на северном и южном участках появились в весеннелетний период. Необходимо также учитывать, что и Кама, и Ик – это крупные реки. В ненарушенных условиях подъем уровня воды в них достигает 5–6 м. Вблизи этих рек ежегодное увеличение гидродинамического давления сопоставимо с тем, что имело место при заполнении Нижнекамского водохранилища в 1979 г. На средних реках, к которым гидродинамическое воздействие на массив пород в зоне их влияния в два раза меньше.

верхнепермскими породами, многие старые и, по-видимому, древние провалы сохраняют коническую форму и в наши дни, а в долинах рек свежие воронки, образовавшиеся в четвертичных и неогеновых грунтах, часто бывают или быстро становятся блюдце- и чашевидными. Из этого следует, что морфологический ряд “конус – чаша – блюдце” характеризует увеличение возраста поверхностных карстовых форм только в пределах одного таксона, то есть районов или участков с одинаковым геологическим строением.

Трещинно-карстовая пустотность нижнепермских сульфатно-карбонатных отложений Восточного Предкамья и Закамья настолько велика, что они способны принимать и накапливать кластический материал практически в неограниченном количестве. Вверх по разрезу коэффициент пораженности пород уменьшается вплоть до нуля в приповерхностной двадцатиметровой толще.

Среднепермские отложения, бронирующие закарстованный массив нижней перми, представлены преимущественно терригенными породами. Поэтому главную роль в провалообразовании играют обрушение кровли ослабленных участков нижнепермских отложений, разрыхление и дробление среднепермских пород, суффозионный вынос образовавшегося мелкозема в подземные полости. Вследствие выщелачивания цемента наиболее сильному разрушению подвержены известковистые песчаники и алевролиты.

Эти процессы, развивавшиеся в течение длительного геологического времени, идут и сейчас, но с меньшей интенсивностью.

Геологическими признаками карстово-суффозионной опасности на востоке РТ являются: степень закарстованности и глубина залегания нижнепермских отложений, соотношение мощностей скальных и рыхлых грунтов, слагающих покровную толщу, ее современное состояние. Эти характеристики зависят от расположения участка относительно палеодолин неогенового возраста. “Спусковым крючком”, а часто и причиной провалообразования в наши дни служат сезонные колебания уровня воды в крупных реках Бугульминской возвышенности, а также техногенное изменение гидрологических и гидрогеологических условий.

1.3. О роли карстового процесса в появлении карстово-суффозионных Несмотря на то, что в разделе 1.1 в качестве двух генетических типов воронок названы суффозионная и провальная формы, полагаем, что выделение в работах [152, 155] гравитационного и суффозионного типов провалообразования не способствует пониманию проблемы. При таком подходе в многослойной грунтовой толще прилагательное “гравитационно-суффозионный” или “суффозионно-гравитационный” в зависимости от того, какой слой контактирует с закарстованными породами – глинистый или песчаный, – будет повторяться многократно, и название провала становится просто курьезным. Есть и серьезные причины для подобного замечания, они рассматриваются в главах 4, 5.

Тем не менее, сама идея такого подразделения правильная. Она обращает наше внимание на необходимость последовательного (снизу-вверх) анализа поведения покровной толщи закарстованных массивов. Но противопоставлять целесообразно не гравитационный и суффозионный процессы или механизмы карстово-суффозионного процесса, а механизмы деформирования-разрушения связных и несвязных дисперсных грунтов, которые характеризуются той или иной степенью водонасыщения и испытывают то или иное гидродинамическое воздействие. Наличие двух корректных детерминированных моделей поведения грунтов над ослабленным участком массива позволило бы осуществлять локальный прогноз образования провалов в покровной толще любого строения в любых гидрогеологических условиях. В данном контексте под моделями в самом широком смысле этого слова понимаются наши представления о причинно-следственной связи процессов и явлений, которые фиксируются в связных и несвязных грунтах и способствуют или предшествуют появлению воронок на земной поверхности, а также формализованные описания этих представлений.

Общий методологический подход к созданию таких комплексных моделей должен базироваться на представлениях о динамической перестройке геологической среды при внешних воздействиях. И основополагающим при этом является фундаментальный принцип Ле Шателье, согласно которому любое внешнее воздействие на находящуюся в равновесии систему вызывает развитие в ней процессов, стремящихся ослабить это воздействие. Другими словами, массив горных пород как бы стремится к самосохранению и из множества вариантов своего поведения и изменения структуры выбирает тот, который обеспечивает его наибольшую устойчивость в новых условиях. В качестве методологического подхода принцип Ле Шателье успешно используется сейчас, например, в динамической геологии [52, 267].

Из сказанного в двух предыдущих разделах следует, что изучается один из экзогенных геологических процессов – карстово-суффозионный. Многообразие форм его проявления в массиве и на земной поверхности свидетельствует лишь о чрезвычайном разнообразии инженерно-геологических условий и множестве возможных сочетаний основных, первичных, принципиально отличных друг от друга механизмов процесса, которых совсем не много. Чтобы лучше понять закономерности проаалообразования, упростим задачу: грунтовая толща деформируется и разрушается над ослабленным участком растворимых отложений – карстовой полостью, открытой трещиной, системой полостей или трещин и т.п. Под деформированием в широком смысле слова, особенно если оно относится к несвязным грунтам, будем понимать любые перемещения их скелета в допредельном (уплотнение, разуплотнение), предельном (сдвиг, срыв) и запредельном (скольжение, течение) состояниях.

В такой постановке обсуждаемая проблема во многом схожа с проблемой оценки устойчивости подработанных территорий. При этом огромное значение приобретает анализ напряженно-деформированного состояния и его изменения в окрестности участков ослабления массива. Достаточно вспомнить замечательные работы С.В. Альбова (1948);

М.С. Газизова (1968); Г.А. Гениева (1958); Г. Кратча (1974); З.Г. Тер-Мартиросяна и С.Ш.

Нуриджаняна (1980); Г.М. Шахунянца (1953); Z. Kesser (1997); H. Molek (2003); T.C.

Patridge et al. (1981); K. Terzaghi & R.B. Peck (1963), которые, на наш взгляд, послужили становлению или развитию инженерной геологии карстовых районов. В этой связи интерес горных инженеров и геомехаников к карстовой проблематике, возросший в последние годы [35, 36, 145, 241, 367], не вызывает удивления.

Несмотря на сходство общей проблемы, подходы к решению частных задач инженерного карстоведения могут сильно отличаться от тех, что приняты в горном деле.

Отличия связаны с формой, размерами и глубиной залегания подземных полостей, неопределенностью их геометрии, условиями аккумуляции обломочного материала, растворимостью пород и другими особенностями закарстованного массива. Многие из этих вопросов затрагиваются в следующих главах, поэтому ниже остановимся лишь на роли коррозии в образовании карстово-суффозионных воронок.

Подход, при котором собственно карстовый процесс учитывается лишь постольку, поскольку его подземные формы принимают и аккумулируют несвязные и раздробленные связные грунты подвергается серьезной критике [91–94, 97]. С другой стороны, как отмечалось в разделе 1.1, под сомнение, ставится правомерность употребления термина “карстово-суффозионный(е) процесс(ы)” на территории Москвы, исходя из того, что современное выщелачивание карбонатных пород вряд ли имеет здесь место [286].

На наш взгляд, вышеназванный подход имеет право на существование. Но его необходимо не замалчивать, а обосновывать в каждом конкретном случае. Причем это должны быть не общие слова о низкой растворимости доломитов или массивных известняков и высокой – гипсов или известняков-ракушечников, а также не ссылки на огромный опыт работы в том или ином карстовом районе. Необходима количественная оценка опасности развития собственно карстового процесса и, самое главное, его вклада в провалообразование. Если в ходе такого анализа окажется, что размеры полости заметно увеличиваются и в рассматриваемый промежуток времени их нельзя считать константой даже в первом приближении, то, рассматривая процесс с геомеханических позиций, это обстоятельство необходимо и можно учесть в краевых условиях и основных уравнениях, переменными в которых служат размеры. Примеры такого способа учета собственно карстового процесса показаны в работах [311, 316].

Попробуем оценить вклад карстового процесса в образование провалов для одного из ключевых районов наших исследований – территории г. Москвы, которая в целом является типичным примером территории покрытого карбонатного карста, находящейся в условиях интенсивной антропогенной нагрузки. В работах [93, 94] анализируется гидрохимический режим трещинно-карстовых вод и, в частности, изменение скорости растворения средне- и верхнекаменноугольных карбонатных пород в пределах МКАД за последние 60 лет. Учитывается техногенное воздействие на химический состав и гидродинамический режим подземных вод и, как следствие, – на изменение содержания свободной углекислоты в каменноугольных водоносных горизонтах. А содержание СО2, как отмечалось в разделе 1.1, при прочих равных условиях определяет растворяющую способность подземных вод.

В результате серьезных многолетних исследований В.П. Зверев (2006, 2007) получил, что в год выщелачивается 9300 т CaCO3 или, переходя на объем, Vк = м3/год. Автор цитируемых работ справедливо считает, что для площади всего мегаполиса это немного, но, учитывая приуроченность процесса к ослабленным зонам массива, полагает, что в таких зонах этого вполне достаточно для образования карстовых провалов.

Допуская, что базисом коррозии являются современные речные долины, оценим вклад растворения карбонатных пород в развитие карстово-суффозионного процесса в пределах главных водных артерий нашей столицы. Следуя рекомендациям В.П. Зверева, считаем, что вынос CaCO3 со скоростью Vк = 3600 м3/год имеет место не на всей площади города, а лишь в полосе шириной 1 км – по 500 м справа и слева от тальвега основных рек (рис. 1.14, табл. 1.2). Заметим, что при таком допущении мы заведомо уменьшаем действующую площадь и, следовательно, сильно увеличиваем опасность выщелачивания растворимых пород.

Рис. 1.14. К определению скорости карстовой денудации в Москве на современном этапе развития территории. Стрелками показана ширина области влияния главных рек.

Таблица 1.2. Протяженность главных рек столицы и некоторые характеристики интенсивности развития карстового процесса в пределах МКАД денудации (мм/год) Из данных последней строки табл. 1.2 следует, что оседание земной поверхности, обусловленное растворением карбонатных пород в прирусловой части основных рек нашего города, развивается со скоростью 0.03 мм/год. Но даже если считать, что весь объем растворенного вещества выносится только из зоны влияния Москвы-реки, то и тогда скорость карстовой денудации будет крайне мала ( 0.05 мм/год).

Для сравнения, на одном из участков СЗАО г. Москвы в районе, потенциально опасном в карстово-суффозионном отношении, скорость оседания в конце 1940-х годов составляла 1415 мм/год, к началу 1970-х годов она уменьшилась до 2.54 мм/год.

Средняя же скорость опускания дневной поверхности в Москве в конце ХХ века равнялась 1.52 мм/год [183, с. 263], то есть была, по меньшей мере, в 50–60 раз больше той, что указана в последнем столбце последней строки таблицы 1.2.

В разделе 1.1 говорилось о том, что базисы эрозии и карстования могут находиться на разных абсолютных отметках. Именно это наблюдается на территории Москвы, где современные речные долины, несомненно, влияют на развитие карста, но их тальвеги в первую очередь служат базисом эрозии. Положение же базиса коррозии определяется глубиной вреза палеодолин дочетвертичного возраста.

Рис. 1.15. Современная речная сеть и тальвеги доледниковых эрозионных врезов (черные линии) на территории г. Москвы (по В.М. Кутепову, И.В. Козляковой, Анисимовой Н.Г. и др., 2011).

Анализ имеющихся в настоящее время данных о древней речной сети города [129, 130, 142, 153, 156, 183, 212] свидетельствует, что ее протяженность намного превышает длину современных рек (рис. 1.15). Тогда, при учете совместного влияния доледниковых и современных врезов скорость карстовой денудации оказывается как минимум на порядка меньше, чем средняя скорость оседания территории нашего города. Если же учесть и некоторый вклад доюрских эрозионных ложбин в развитие карстовосуффозионного процесса, то всерьез говорить о роли растворения карбонатных пород в настоящее время, даже притом, что мы живем в эпоху техногенеза, очевидно, не приходится.

Полученные выше результаты можно трактовать иначе – как скорость изменения размера подземных карстовых форм в плане. Пусть максимальная скорость карстовой денудации равна 0.05 мм/год (см. табл. 1.2), а коррозия по каким-либо причинам развивается только по горизонтали. Тогда за 100 лет (а это максимальный срок эксплуатации самых ответственных сооружений) приращение пролета вскрытой бурением полости составит L = 0.005 м. Понятно, что такое увеличение ширины ослабленного участка, даже если его пролет составляет всего L = 0.1 м, не говоря уже о L 1 м, можно не учитывать в практических расчетах.

В конце 1920-х – начале 1930-х гг. Ф.П. Саваренский подсчитал меженный модуль стока и йонный сток для Москвы-реки в районе нынешнего Рублевского шоссе. По его данным средняя скорость химической денудации в то время равнялась 0.0071 мм/год [244]. Полагая в первом приближении, что эти данные справедливы и для Москвы в целом, и, сопоставляя их с полученными выше результатами (0.031 мм/год, 0.048 мм/год, табл. 1.2), приходим к следующему выводу. Действительно, в последние 70 лет ХХ века скорость карстовой денудации в Москве сильно возросла – в 4.4–6.8 раз. Но, несмотря на это, величина опасности и риска образования провалов в Москве по-прежнему не зависит от интенсивности выщелачивания каменноугольных отложений.

1.4. Оценка опасности и риска образования провалов и локальных оседаний Впервые с негативным воздействием карста и суффозии люди, по-видимому, столкнулись в районах подземной добычи полезных ископаемых и в плотно населенных гидротехнических сооружений и их неэффективности, а также причин эпидемических заболеваний и повышенной смертности обнаружено, что и здесь вышеупомянутые процессы играют не последнюю роль. Отсюда и вытекают четыре основных вида или типа карстово-суффозионной опасности. Эти опасности, расположенные ниже в хронологическом порядке, можно условно назвать горно-геологической (1), инженерногеологической (2), гидрологической или гидрогеологической (3) и экологической (4)*:

1. Обрушение горных выработок, прорывы карстовых вод или “песков-сыпунов” и, как следствие, затопление выработок и оборудования или их заполнение несвязными грунтами, гибель людей [2, 7, 31, 32, 38, 67, 68, 145, 196, 248, 252];

2. Оседание земной поверхности, внезапные провалы и связанные с ними деформации и разрушение зданий и сооружений. Возможны и человеческие жертвы, однако за все время многолетних наблюдений в России установлена гибель лишь одного человека в результате природного карстово-суффозионного провала (Акташский провал, РТ, 1939 г.) [265];

3. Утечки воды из водохранилищ, их осушение, возможное разрушение плотин, колоссальный экономический ущерб [1, 89, 109, 110, 134, 168, 169, 175, 249, 345];

4. Загрязнение подземных вод, в том числе и радиоактивное. Деградация экосистем, ухудшение здоровья населения, “внезапные” вспышки болезней, массовое отравление людей [4, 21, 58, 94, 97, 119, 132, 165, 206, 243, 249, 278, 287, 327, 334, 352, 367].

В качестве основных при инженерно-строительном использовании закарстованных территорий те же самые типы выделены и В.В. Толмачевым (2012) на основе анализа многочисленных отечественных и зарубежных публикаций. Они названы им типами карстовой опасности A, B, C, D по приоритетным областям исследований. Тип A по сути дела соответствует опасности 4, B – 2, C – 1, D – 3. Из этого следует, что сейчас экологический аспект проблемы, как и следовало ожидать, переместился с исторически 4-го на 1-е место, инженерно-геологический – сохранил за собой “серебро”, горногеологический – сполз на 3-е место (по-видимому, вследствие появления новых технологий добычи полезных ископаемых и крепления горных выработок). Последнее место гидрологической опасности может объясняться двояко – либо плотин стали меньше строить, либо места для них научились выбирать.

Нетрудно заметить, что и горно-геологический (1 С), и инженерно-геологический (2 В) типы опасности непосредственно связаны с провалообразованием. Экологический же тип (4 А) – с результатом этого процесса – наличием внутри массива и на его поверхности эрозионных, суффозионных и провальных воронок (см. раздел 1.1), которые собирают сточные воды и служат местами гидравлической связи поверхностных и подземных вод. В возникновении гидрологической опасности (3 D), обусловленной прежде всего строением и инженерно-геологическими особенностями массива На три первых типа опасности указывал еще И.В. Попов (1959), говоря об отрицательной роли карста и его значении при разработке месторождений полезных ископаемых, гражданском и гидротехническом строительстве.

растворимых пород, формирование воронок, да и сами воронки, в том числе подводные, также играют не последнюю роль. Поэтому трудно согласиться с критическим замечанием В.В. Толмачева (2012) о том, что сведение карстовой опасности к опасности образования провалов – это необоснованное упрощение.

Таким образом, именно провалы и локальные оседания земной поверхности представляют главную опасность в карстовых районах. Для ее количественной оценки в показателях риска рекомендуется использовать полные и удельные значения физических и экономических, а также полные и индивидуальные значения социальных потерь [87, 226, 229, 235]. Социальный ущерб от карстово-суффозионных провалов с одной стороны, как показывают исследования В.А. Ёлкина [370], трудно поддается учету, а с другой, – как отмечалось выше, настолько маловероятен, что его изучение представляет чисто теоретический интерес.

При оценке и картографировании провальной опасности на локальном уровне удельный физический (Rf, м2/км2год) и полный экономический (Re, у.е./год, руб./год) риски, вероятно, являются ее наиболее емкими, информативными и удобными на практике вероятностными показателями. Их можно записать в виде:

Стохастические модели (1.1), (1.2) отличаются от тех, что предложены в [87, 226, 229, 235], только формой записи, но не содержанием. Они выражены через широко и давно используемые в инженерной геологии показатели [102, 139, 176, 182, 216, 219, 242]:

KS = Sв/S (м2/км2) – пораженность территории площадью S провалами, суммарная площадь которых равна Sв; T (лет) – время образования или возраст провалов; * = N/T (1/год) – частота процесса (N – количество воронок); = */S = N/ST (1/годкм2) – интенсивность провалообразования (частота, нормированная по площади); (Sв)ср = Sв/N (м2) – средняя площадь воронки. В них также использованы обозначения: Sо (м2) – площадь объектов или объекта (фундаментов под несущие конструкции, фундаментной плиты и т.п.); Ve (д.е.) и De (у.е., руб.) – экономическая уязвимость и стоимость объектов.

Заметим также, что в выражении (1.2) площадь Sо и риск Rf умножены на 106 для приведения размерности первой к (км2), а второго – к (год1).

Видно, что все параметры, определяющие величину геологического риска (Rf, Re), подразделяются на две группы. Первая ((Sв)ср, Sв, N, S, T, KS, * и ) целиком относится к массиву пород, вторая (Sо, Ve, De) – к инженерным сооружениям. Причем уязвимость зависит не только от конструктивных особенностей объекта, но и от величины (Sв)ср.

“Геологические” показатели Sв, N, S, T устанавливаются на стадии идентификации и прогноза провальной опасности в ходе выполнения полевых и камеральных работ. Они первичны. Все остальные геометрические и кинематические характеристики процесса в этой группе – (Sв)ср, KS, KT, – вторичны, они полностью определены, если известны значения Sв, N, S, T.

При использовании стохастических моделей (1.1), (1.2) самым важным, вероятно, является вопрос о времени формирования поверхностных карстовых форм. Другие первичные показатели находятся, как правило, намного проще и с нужной степенью точности. Трудности определения параметра “T” обусловлены многими причинами:

неоднозначностью интерпретации абсолютного возраста по результатам споропыльцевого и радиоуглеродного анализов; невозможностью опробования большого числа воронок; недостаточной достоверностью данных, полученных при опросах местного населения; отсутствием количественной зависимости между формой, размерами и временем образования поверхностных форм. В этой связи полезными могут оказаться методы и подходы к определению возраста, основанные на совместном анализе механизма образования воронок и свойств слагающих их грунтов [24, 101, 133].

Отмеченные выше трудности носят скорее технический, чем принципиальный характер. Иная ситуация возникает, когда воронки в районе отсутствуют, не обнаружены, или выявлены лишь единичные провалы неясного генезиса. При этом относительно простой или, по крайней мере, понятный, хотя и трудоемкий статистический способ определения характеристик (Sв)ср,, а значит, и Rf становится недоступным. Особенно остро эта проблема стоит при крупномасштабных исследованиях территории больших городов [23, 51, 130, 134, 142, 256, 283, 296].

В этом случае оптимальный путь прогноза среднего диаметра (Dв)ср и, следовательно, первого параметра, определяющего величину Rf – площади воронки (Sв)ср = (Dв)2ср/4, – расчетный. В основе любых расчетных моделей лежат детерминированные подходы и методы механики горных пород и инженерной геодинамики [4, 18, 31, 44, 88, 96, 99, 100, 159, 177, 214, 220–225, 282, 296]. Все они базируются на схематизации природных условий, порой настолько существенной, что возникает вопрос о правомерности их использования (см. раздел 3.2). Кроме того, применение расчетных зависимостей вообще и способа вычисления (Dв)ср в частности нормативными документами, за редким исключением [237], не регламентируются, поэтому границы применения детерминированной модели должны быть четко обозначены в специальном отчете или пояснительной записке к крупномасштабным картам опасности и риска. Для этого необходимо максимально полно осветить суть выбранного метода, допущения, на которых он основан, методику и промежуточные результаты расчетов.

Еще сложнее в районах ожидаемой (нереализованной) опасности обстоит дело с оценкой интенсивности = N/ST – второго параметра, определяющего величину физического риска (1.1). Дело в том, что сейчас при использовании детерминированных моделей на вопрос, когда произойдет провал, мы в лучшем случае можем ответить: тогда, когда те или иные условия и факторы (пролет полости, уровни подземных вод, статические и динамические нагрузки и т. д.) достигнут определенных значений. Такой ответ, возможный только при глубоком понимании внутренних закономерностей процесса, на самом деле вполне достаточен. Тем не менее, оценка геологического риска, например, в Москве предписана Инструкцией [106] и Рекомендациями [235].

Необходимо искать новые пути экспериментального изучения и математического описания провального процесса с тем, чтобы не только стохастические, но и детерминированные модели в явном виде содержали время его развития (см. разделы 3.1, 3.5, 5.2). А пока этот вопрос далек от разрешения, частота провалообразования в отсутствие поверхностных форм может быть найдена с помощью метода натурных аналогов [95, 96, 99, 240]. Действительно, сходство условий и факторов процесса в изучаемом массиве и массиве-аналоге позволяет в первом приближении судить и о сходстве его кинематических характеристик на сравниваемых участках. Поскольку аналогия должна быть обоснована, то на первый план в локальной оценке риска выходят анализ инженерно-геологических условий и районирование территории по основным признакам развития провалов (см. разделы 6.2, 6.3).

Принимая те или иные значения частоты процесса, следует быть очень осторожным.

Пусть, например, требуется оценить физический риск на участке, где нет провалов, но сходном по всем признакам с участком на северо-западе Москвы, где за 30 лет образовались 42 карстово-суффозионные воронки (Т = 30 лет, N = 42). Тогда согласно Рекомендациям [235] в качестве расчетного значения интенсивности следовало бы принять = 0.0014 км2год1. Однако такая интенсивность получена, исходя из того, что Т = 30 лет, N = 42, S 1000 км2. Но S = 1000 км2 – это площадь целого мегаполиса, площадь же опасного (пораженного провалами) участка составляет лишь Sоп = 10.81 км [156, 201], поэтому оп = N/ТSоп = 0.1295 км2год1, и риск потерь земельных угодий Rf здесь оказывается на два порядка выше. Поскольку массив-аналог расположен в потенциально-опасном районе, а их суммарная площадь в Москве равна Sпо = 172.96 км [156, 201], то для него ожидаемая интенсивность образования провалов будет в 16 раз меньше интенсивности оп, но все равно в 6 раз больше приведенного в Рекомендациях [235] значения : по = N/Sпо = 0.0081 км2год1.

Из выражения (1.2) следует, что экономический риск отличается от физического риска только параметрами Sо, Ve, De. Обычно площадь объектов Sо нам известна, а их стоимость De чаще всего – нет. Учитывая также нестабильность мировой финансовой системы и изменение цен, обусловленное появлением новых технологий, удобно экономический ущерб рассчитывать в процентах от стоимости сооружения, приняв De = 100 %. Справедливость такого упрощения расчетов тем больше, чем крупнее масштаб исследований и соответственно «экономически» однороднее реципиенты риска.