О. И. КАДЕБСКАЯ
ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАРСТООПАСНОСТИ
НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИИ Г. КУНГУРА
Вопросам оценки устойчивости закарстованных территорий уделяется в последнее время большое внимание. Интерес к этой проблеме вызван участившимися случаями разрушения зданий и сооружений. Разнообразное инженерно-хозяйственное использование недр Земли служит причиной возникновения и развития техногенных процессов, изменяющих состав, состояние и свойства массивов пород, по своим масштабам местами превышающих скорость развития природных геологических процессов и явлений. Особенно значительны техногенные изменения геологической среды на закарстованных территориях и в частности там, где карстующиеся породы перекрыты различными по литологическому составу, возрасту и мощности рыхлыми нерастворимыми образованиями. В связи с этим возникает острая необходимость оценки устойчивости подобных территорий и районирования их по степени активности неблагоприятных процессов, связанных с техногенным воздействием. Поэтому целью заключительного этапа трехлетней научно-исследовательской работы «Эндогенные и экзогенные процессы в осадочных образованиях пермской системы» являлось обоснование критериев оценки карстоопасности и разработка методики крупномасштабного инженерно-карстологического районирования территорий градопромышленных агломераций на примере г. Кунгура.
В практике освоения закарстованных территорий в настоящее время в большинстве случаев применяются методы, косвенно оценивающие степень карстовой опасности путем качественной характеристики условий развития карста (качественные методы) и количественного учета определенных параметров карстового процесса (количественные методы).
Методы, позволяющие непосредственно оценивать карстовую опасность для зданий и сооружений (например, путем определения вероятности того, что проектируемый объект за данный период времени не будет поражен карстовым провалом определенного размера), лишь начинают внедряться в практику проектирования в карстовых районах (Катаев, 2008).
Качественные методы оценки не являются достаточно объективными. Однако отказываться от их применения в настоящее время было бы принципиально неверно, так как многие аспекты оценки карстовой опасности пока не имеют решений на количественном уровне. Тем не менее, инженерная практика освоения закарстованных территорий требует непременного учета этих аспектов. Качественные методы предполагают (естественно, в пределах своих возможностей) учет различных дополнительных обстоятельств и региональных особенностей. Именно через качественные методы оценки карстоопасности практика выдвигает перед исследователями и инженерами необходимость решения задач количественного прогноза карстоопасности (Катаев, 2001).
Для косвенной оценки степени карстовой опасности используются количественные показатели карстового процесса. В современном карстоведении известно более 150 показателей, характеризующих карстовый процесс и созданные им формы (, 1948; , 1963; , 1963; , 1967; , 1978; , 1979;
В. Н Дублянский, , 1990; , , 1995).
При районировании закарстованных участков и (1975) определили, что наиболее существенное значение для территории
г. Кунгура, имеют такие неблагоприятные факторы, как периодическое затопление высокой поймы весенними паводками и низкая несущая способность песчано-глинистых грунтов, обусловленная высокой пористостью и большим содержанием илистого материала, а также неоднородностью грунтов при наличии карстовых и старичных понижений. Наибольшие трудности при проектировании и строительстве различных объектов вызываются интенсивной закарстованностью и значительной скоростью растворения сульфатных пород (Лукин, Ежов, 1975).
Результаты перечисленных и других предыдущих исследований, проведенных в Пермском регионе, в том числе и на территории г. Кунгура, были учтены нами при выполнении специальных карстологических работ. и в своей работе положили надежную и правильную основу для инженерно-карстологического районирования городской территории. Тем не менее, давно уже назрела необходимость адаптирования методических рекомендаций предыдущих лет по исследованиям на закарстованных территориях к специфике современной геолого-карстологической и гидрогеологической ситуации.
Первый этап работ включал в себя сбор и систематизацию планово-картографического материала и его векторизацию, после чего была создана объединяющая модель рельефа. В процессе работы разработана концепция, структура и содержание базы данных по материалам геологического изучения недр и инженерно-геологических изысканий на территории города. На основе созданной электронной базы данных обобщены данные по геологическому строению, гидрогеологическим, гидрохимическим и геоморфологическим условиям, а также физико-механическим свойствам грунтов. В 2007 году Кунгурской лабораторией ГИ УрО РАН на данную работу были получены патенты: свидетельство об официальной регистрации базы данных для ЭВМ
№ «БД инженерно-геологические изыскания» и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № «Программа управления БД инженерно-геологические изыскания». Результат анализа особенностей геолого-гидрогеологической и карстологической обстановок территории города помимо концептуальных положений содержит комплект соответствующих крупномасштабных карт масштаба 1:10000.
Территория города была поделена на районы по следующим геоморфологическим признакам:
· Голоценовая высокая и низкая пойма долин р. Сылвы и ее притоков, в пределах которой расположена нижняя часть г. Кунгура.
· Верхнечетвертичная аллювиальная I-я надпойменная терраса.
· Среднечетвертичная аллювиальная II-я надпойменная терраса.
· Нижнечетвертичная аллювиальная III надпойменная терраса.
· Плиоцен-четвертичная платообразная возвышенность северо-западной оконечности Уфимского плато.
После этого было проведено уточнение характеристик карстующихся пород территории. Сочетание комплексов в геологическом разрезе определяет тип обстановок карстообразования или тип карста в зависимости от литологии и сочетания отложений, перекрывающих карстующиеся породы. В пределах территории г. Кунгура в результате обобщения данных бурения скважин различного назначения выявлено тринадцать типов сочетания карстующихся и перекрывающих отложений различного состава и генезиса, которые были отражены на карте типов карста. Выделены три литологических типа карстующихся пород: I – карбонатный, II – сульфатный, III – карбонатно-сульфатный.
Подтипы выделены по генезису перекрывающих отложений, залегающих в различных гидрогеологических и гидродинамических условиях.
Всего в области сульфатного и карбонатно-сульфатного карста на территории города Кунгура расположено 67% всех строений, из них: 3 девятиэтажных зданий; 2 шестиэтажных; 102 пятиэтажных; 25 четырехэтажных; 58 трехэтажных; 891 двухэтажных; 13905 одноэтажных, из них 4500 жилых строений.
Весьма сложная динамика подземных вод в пределах территории
г. Кунгура, является доминирующей составляющей интенсивного проявления современного карстового процесса. Поэтому большое значение для оценки скорости развития карстовых процессов имеют мониторинговые исследования за поверхностными и подземными водами. Наблюдения по сети скважин, на гидропостах и Кунгурской пещере позволили выявить степень влияния гирологических и гидрогеологических условий на динамику развития карстовых процессов в различных литологических комплексах.
Гидродинамическая связь вод речных потоков и подземных вод иренского и верхов филипповского горизонтов определила неустойчивость уровенного режима подземных вод, особенно в периоды нарастания паводков и сброса паводковых вод. Все перечисленные условия и факторы прямо или косвенно отражаются в особенностях площадного распределения формационного, фациального, покомпонентного состава и минерализации подземных вод различных водоносных комплексов. Специфику данного распределения определяет и тот факт, что после наводнения 1979 года произошло (вероятно, происходило и ранее после наводнений, например 1902, 1926 гг.) опреснение подземных вод и фрагментарная смена преобладающих гидрохимических фаций (Катаев, 2007).
Так как провалы являются одним из главных критериев при оценке карстовой опасности на третьем этапе работ был произведен сбор материалов по карстопроявлениям на территории г. Кунгура. На основе данных был составлен каталог и карта карстопроявлений. В настоящее время в базе данных по провальным явлениям, созданной по результатам работ содержатся сведения о 530 провалах на территории г. Кунгура и 100 провалах на территории Кунгурского района.
Следующим этапом работ было определение основных показателей подземных карстовых форм. Были обобщены данные по строению спелеосистем и уровням стратификации поверхностных форм карста, информационные сведения об активности и интенсивности карстового процесса в поверхностной и подземной его составляющих. После проведения полевых исследований и первичного картирования некоторых карстовых полостей, был составлен «Атлас пещерных входов», в который вошли 8 пещер расположенных на территории
г. Кунгура.
Совместно с лабораторией природной и техногенной сейсмичности ГИ УрО РАН было произведено дополнительное исследование зон наиболее активного карстообразования. Эксперимент по оценке возможностей сейсмологического изучения карста, основанного на регистрации, обработке и анализе сейсмических сигналов, возбуждаемых различныи динамическими процессами: обрушениями пород в кровле и стенках карстовых полостей, актами трещинообразования проходил в рамках гранта РФФИ 07-05_97624-р_офи в сульфатной толще Кунгурской Ледяной пещеры. Результаты сейсмологических наблюдений отражали пространственные и временные характеристики процессов динамического разрушения в исследуемой карстующейся толще. Подобная интеграция потенциально позволяет более эффективно оценивать вероятность развития процессов карстообразования и делать прогнозы, что переведет ее в разряд инструментов, служащих для моделирования и прогноза ситуации.
В ходе работ были уточнены границы распространения карстующихся пород, а в выделенных участках оконтурены интенсивно закарстованные зоны и выявлены некоторые относительно устойчивые участки на территории города. Кроме того, была получена дополнительная информация, как базовая – теоретическая, так и первичная – полевая, позволившая расширить общие представления о карсте, как о процессе и явлении, а также о характере его развития для исследуемой территории, прежде всего в таком значимом вопросе, как возраст имеющихся карстовых форм. На примере территорий Нижне-Сылвенского карстового района разработана методика крупномасштабного инженерно-карстологического районирования градопромышленных агломераций. Проведенные работы позволили более точно провести оценку современного состояния компонентов геологической среды и степень карстоопасности застроенной территории г. Кунгура.
