Содержание к диссертации
Введение
CLASS Глава 1. Состояние вопроса CLASS 8
1.1 .Терминология 8
1.2. Классификации суффозионных процессов и явлений 12
1.3. Краткая история изучения суффозии 17
Глава 2. Закономерности суффозионных процессов 25
2.1. Природа суффозии и среда ее протекания 25
2.1.1. Суффозионное разрушение горных пород 25
2.1.2. Вынос и перемещение пород, разрушенных суффозией .30
2.1.3. Суффозионные проявления 33
2.2. Динамика суффозионных процессов 38
2.2.1. Движущие силы, причины и следствия суффозионных процессов 38
2.2.2. Развитие суффозии во времени 46
2.3. Механизм суффозионных процессов 51
2.3.1. Некоторые общие замечания 51
2.3.2. Химическая суффозия и частичное фильтрационное разрушение 52
2.3.3. Подземная эрозия 54
2.3.4. Присклоновое фильтрационное разрушение 60
2.3.5. Фильтрационное разрушение восходящим потоком 79
2.3.6. Закрытое фильтрационное разрушение нисходящим потоком 83
2.4. Пространственное распространение суффозии 89
2.4.1. Влияние природных условий на распространение суффозии 89
2.4.2. Влияние техногенеза на распространение суффозии 91
2.4.3. Распространение суффозии на территории России 93
Глава 3. Прогноз суффозионных процессов 95
3.1. Принципы прогнозирования суффозии 95
3.1.1. Исходная информация, необходимая для прогнозирования суффозии .95
3.1.2. Подход к прогнозированию суффозии 98
3.2. Геомеханические модели суффозионного провалообразования 105
3.2.1. Модели обрушения дисперсных пород 105
3.2.2. Модель закрытого фильтрационного разрушения нисходящим потоком 1
3.2.3. Модель закрытого фильтрационного разрушения восходящим потоком 1
3.3. Определение местоположения ожидаемого провала 1
3.3.1. Основные теоретические предпосылки 1
3.3.2. Базовые статистические модели и практическая реализация прогноза 1
3.4. Лабораторное физическое моделирование суффозии 1
3.4.1. Экспериментальное оборудование 1
3.4.2. Принципы моделирования 1
3.4.3. Моделирование суффозионных процессов, протекающих в г. Сарове 1
Глава 4. Суффозия и сфера человеческой деятельности 1
4.1. Социально-экономические и экологические последствия суффозии 1
4.2. Суффозионная опасность 1
4.3. Противосуффозионная защита 1
Заключение .1
Литература 1
- Классификации суффозионных процессов и явлений
- Химическая суффозия и частичное фильтрационное разрушение
- Подход к прогнозированию суффозии
- Социально-экономические и экологические последствия суффозии
Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что в последние десятилетия во всем мире наблюдается тенденция возрастания ущерба от негативных воздействий суффозионных процессов на различные объекты, играющие важную роль в жизни людей (жилые дома, гидротехнические сооружения, сельскохозяйственные угодья, рекреационные зоны, памятники архитектуры). Последствия этих воздействий все чаще приобретают катастрофический характер.
Вместе с тем, до сих пор не существует общей теории суффозионного процесса, не определены его роль и место среди других экзогенных геологических процессов, не до конца выяснен механизм формирования некоторых суффозионных проявлений. В инженерной геодинамике отсутствует раздел, посвященный изучению суффозии. Отдельные виды процесса являются сейчас предметом исследования разных направлений научной и инженерной деятельности. Это не способствует правильному пониманию природы вещей и выработке грамотных решений, особенно в сложной природно-техногенной обстановке.
Цель диссертации состоит в разработке теории суффозионного процесса и принципов его прогнозирования в качестве научной основы предотвращения чрезвычайных ситуаций при наличии суффозионной опасности.
Основные задачи, решение которых требовалось для достижения указанной цели, включали в себя:
-
Систематизацию существующих представлений о суффозии, о методах ее прогнозирования и о способах противосуффозионной защиты;
-
Создание единой концептуальной модели суффозионного процесса, отра жающей закономерности ее развития в пространстве и во времени и ее взаимосвязи с другими геологическими процессами;
-
Разработку новых и усовершенствование существующих методов и технических средств прогнозирования суффозии;
-
Разработку единого подхода к оценке суффозионной опасности для хозяйственных объектов различного назначения.
Научная новизна работы определяется ее основными защищаемыми положениями. На защиту выносятся:
-
Определение понятия «суффозия» и соответствующие ему классификации процесса: а) по характеру разрушения горных пород; б) по условиям выноса и перемещения разрушенных пород. Перечни необходимых предпосылок и причин появления суффозии, вызванных процессами и воздействиями природного и техногенного происхождения, классификации последствий развития суффозии в виде суффозионных проявлений и постсуффозионных геологических процессов.
-
Закономерности развития суффозии во времени, которые прослеживаются по изменению скважности горных пород в рамках суффозионного цикла, и проинтерпретированы пятью типичными схемами механизма формирования суффозионных проявлений, обусловленных: а) химической суффозией и частичным фильтрационным разрушением; б) подземной эрозией; в) присклоновым фильтрационным разрушением; г) фильтрационным разрушением пород восходящим потоком; д) закрытым фильтрационным разрушением пород нисходящим потоком.
-
Закономерности пространственного распространения суффозии, которые рассматриваются, как результат сложных и противоречивых взаимодействий при-
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА }
спетое»? о,/\ і о» «отмстит/ ;
родных и техногенных факторов и отражены на схематической карте развития суффозии в пределах Российской Федерации.
-
Принципы прогнозирования суффозионных и постсуффозионных процессов на основе необходимой исходной информации и три апробированных и верифицированных методики такого прогнозирования, рассмотренные на конкретных примерах: а) определение условий и параметров суффозионного провалообразо-вания; б) определение местоположения ожидаемого провала; в) лабораторное физическое моделирование.
-
Критерии оценки существующей и ожидаемой суффозионной опасности, устанавливаемые, соответственно, на основе информации о поверхностных суффозионных проявлениях и по результатам количественного прогнозирования суффозионных и постсуффозионных процессов. Инженерно-геологическая классификация противосуффозионных мероприятий.
Практическое значение и реализация результатов работы. Научные исследования, положенные в основу диссертации, осуществлялись в рамках четырех государственных программ: ГНТП № 16 «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» (1990-1995), ЦКП «Строительство в районах с экстремальными условиями и инженерная защита территорий» (1991-1993), ГМНТП «Инженерная защита городов и населенных пунктов России от воздействия опасных природных к техногенных процессов» (1994-2000) и ФНТП «Развитие малых и средних городов Российской Федерации в условиях экономической реформы» (1997-2005). Отдельные положения работы включены в МСНиП 22-02-2003 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения».
Разработанные автором принципы и практические приемы инженерно-геологического изучения и прогнозирования суффозии были реализованы в трех направлениях:
а) при идентификации опасных для строительства суффозионных проявле
ний в разных регионах России и за рубежом, в том числе, в городах Москва, За
райск Московской области, Павлово и Дзержинск Нижегородской области, в Са-
совеком районе Рязанской области и в Кинешемском районе Ивановской области,
на площадке АЭС «Бушер» (Исламская Республика Иран);
б) при прогнозе развития суффозии на площадках существующих и проек
тируемых объектов промышленного и гражданского строительства, включая па
мятники истории и архитектуры, в городах Москва, Щелково и Протвино Мос
ковской области, Самара, Казань, Нижний Новгород, Дзержинск и Саров Нижего
родской области, в поселке Янтарный Калининградской области (более 40 объек
тов от отдельных зданий и сооружений до крупных жилых районов и заводских
территорий), на площадках Ровенской (Украина) и Нововоронежской АЭС на
трех направлениях Горьковской железной дороги;
в) при выборе противосуффозионных мероприятий для защиты зданий раз
личного назначения в городах Москва, Самара и Щелково Московской области.
Методика исследований, исходные данные и личный вклад авгора в решение поставленных задач. В основу диссертации положены результаты полевых, экспериментальных и теоретических исследований, анализов и обобщений, а также методические и технические разработки, выполненные лично авто-
ром или под его непосредственным научным руководством. Автор занимается инженерно-геологическим изучением и прогнозированием суффозионных процессов в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС), начиная с 1975 г.
Исходные данные для теоретических обобщений были получены автором в ходе осуществления плановых научных исследований и договорных работ, выполнявшихся по заказу различных организаций и ведомств, при подготовке многочисленных технических заключений и экспертиз, а также в порядке личной инициативы. При этом использовались предоставленные автору материалы инженерных изысканий, выполненных ПНИИИСом или другими организациями (в том числе, организациями-заказчиками), а необходимые дополнительные исследования осуществлялись самим автором или под его научным руководством.
В ходе изучения закономерностей развития суффозионных процессов особое место занимало их лабораторное физическое моделирование. Часть экспериментов проведена самим автором, а часть - под его руководством молодыми специалистами Н.Е. Ворониной и С.Э. Пидяшенко. Эксперименты выполнялись на специально созданном для этой цели оборудовании, защищенном патентом Российской Федерации № 1823923 A3 (авторы: Хоменко В.П., Маханько Е.П., Исаев и др.). Оно представляет собой модернизированный вариант установки для исследования суффозионной устойчивости грунтов конструкции В.П. Хоменко (авторское свидетельство СССР № 851201). Изготовление опытных образцов нового экспериментального оборудования осуществлялось под руководством автора в СКВ с ОП НПО «Стройизыскания» в г. Рязани, согласно п. 25 раздела 1а «Сводного тематического плана важнейших научно-исследовательских, опытно-конструкторских, тематических и других работ... НПО «Стройизыскания» на 1989 г.». По данному пункту плана автор являлся ответственным исполнителем.
Представленная в диссертации схематическая карта развития суффозии на территории России является упрощенным вариантом карты масштаба 1:5000000, созданной авторским коллективом в составе ВТ. Рубина, Б.М. Фаминцына и В.П. Хоменко под научным руководством диссертанта. Эта первоначальная карта вошла в «Схему районирования территории РСФСР по степени пораженности опасными геологическими процессами...», составленную в 1990г. по заданию Госстроя РСФСР. Базой для ее построения послужили карты регионально-геологических и зонально-климатических факторов развития опасных геологических процессов на территории России, созданные в рамках той же работы под руководством А.Л. Рагозина и А.В. Груздова. В основу карты была положена информация о суффозионных процессах и их проявлениях, полученная по запросу Госстроя РСФСР от органов местной власти автономных республик, краев и областей России, ог территориальных трестов инженерно-строительных изысканий, а также из литературных и фондовых источников. Схематическая карта была дополнена новыми сведениями, собранными автором за прошедшие 12 лет.
Предложенная автором теория суффозионного процесса базируется на закономерностях его развития в пространстве и во времени, выявленных не только им самим, но и другими исследователями. Автор провел систематизацию существующих взглядов на этот процесс, с учетом их эволюционных изменений за столетний период, одновременно пытаясь внести определенность в крайне запутанную терминологию. Такой анализ в сочетании с личным опытом эксперимеиталь-
ных исследований и нагурньж наблюдений позволил синтезировать развернутую концептуальную модель суффозионного процесса, имеющую новые черты.
Теоретически обобщая и анализируя отечественный и зарубежный опыг инженерно-геологического прогнозирования и, в то же время, решая конкретные практические задачи, автор разработал несколько методик прогноза суффозион-ных и постсуффозионных процессов. Он выполнил эту работу в качестве ответственного исполнителя заданий 03.02.04 (1992 г.) и 03.02.05 (1993 г.) ЦКП «Строительство в районах с экстремальными условиями и инженерная защита территорий», а также задания 2.1.1.6 (1994 г.) ГМНТП «Инженерная защита городов и населенных пунктов России от воздействия опасных природных и техногенных процессов». Одна из методик имеет характер изобретения (Хоменко В.П. Способ определения зоны возможного провалообразования в грунтах: Патент РФ № 1752869 А1), а для ее оперативной реализации П.В. Корбутяком под руководством автора была разработана специальная компьютерная программа.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались я обсуждались на совещаниях и семинарах по проблемам изучения и прогноза изменений геологической среды на городских территориях (Ленинград, 1986; Одесса, 1987; Петропавловск-Камчатский. 1990), на региональных (Уфа, 1980 и 1984; Сочи, 1991), всесоюзных (Пермь, 1980 и 1985; Алушта, 1982; Подольск, 1983; Владивосток, 1986; Куйбышев, 1990) и международных (Пермь, 1992; Панама-Сити (США), 1993) совещаниях по проблемам общего и инженерного карстоведе-ния, на семинарах «Моделирование формирования суффозионных и карстовых полостей» и «Инженерная геология Западного Урала» (Пермь, 1979 и 1982), на всесоюзном семинаре «Режимные инженерно-геологические и гидрогеологические наблюдения в городах...» (Сочи, 1983), всесоюзном совещании «Процессы подтопления застроенных территорий грунтовыми водами (прогноз и защита)» (Новосибирск, 1984), 5-й всесоюзной конференции «Проблемы инженерной геологии в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой полезных ископаемых» (Свердловск, 1984), всесоюзной конференции «Подземные воды и эволюция литосферы» (Москва, 1985), 4-м всесоюзном совещании по фун-даментостроению (Уфа, 1987), 1-м всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988), 12-й международной конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Рио-де-Жанейро, 1989), совещании «Проблема псевдокарста» (Пермь, 1992), международной конференции «Анализ и оценка природных рисков в строительстве» (Москва, 1997), 4-й международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 1999), 10-й научной школе «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Алушта, 2000), конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2002), конференции «Инженерные изыскания в XXI веке» (Москва, 2003).
Публикации. Кроме монографии, представленной в качестве диссертации, ее основные положения опубликованы в 86 печатных работах. По теме диссертации сделано 5 изобретений.
Структура и объем работы. Диссертация представляет собой опубликованную монографию: Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. М.: ГЕОС, 2003. Она состоит из введения, четырех глав, включающих 14 разделов (24 подраздела), заключения, списка литературы, содержащего 282
наименования, и двух тестовых приложений. Объем монографии составляет 216 страниц, она содержит 72 иллюстрации и 14 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность коллективу ФГУП «ПНИИИС» Госстроя России, где он работает с 1972 г., и, прежде всего, его генеральному директору, профессору В.В. Баулину и ученому секретарю О.П. Павловой, без организационной поддержки которых монография не увидела бы свет. Постоянный интерес к данной работе проявляли доктор геолого-минералогических наук И.О. Тихвинский и доктор технических наук Е.С. Дзекцер. Огромное влияние на формирование научных взглядов автора оказали ушедшие из жизни профессора Ф.В. Котлов и Н.И. Кригер, а также работающий в настоящее время в Мосгоргео-тресте профессор Р.С. Зиангиров. Свои первые шаги в изучении суффозия автор смог осуществить лишь благодаря неоценимой консультативной и технической помощи, оказанной ему ныне покойным доцентом ВЗПИ В.Н. Славяновым.
Многие из присутствующих в диссертации обобщений и выводов были сделаны автором, когда он привлекался в качестве соисполнителя к работам, выполнявшимся ФГУП «Противокарстовая и береговая защита» (г. Дзержинск Нижегородской области). Автор испытывает чувство большой благодарности к коллективу этого государственного предприятия, где ему были предоставлены все необхо- -димые условия для творческой деятельности. В первую очередь это относится к бывшему директору В.В. Толмачеву, нынешнему директору Б.А. Гантову и мастеру Г.Ф. Гладцинову, безупречно осуществлявшему в течение почти двадцати лет до последнего дня своей жизни техническое обслуживание и эксплуатацию разработанного автором экспериментального оборудования.
Классификации суффозионных процессов и явлений
Как известно, проблемы классифицирования каких-либо объектов тесно связаны с проблемами терминологии. Именно поэтому содержание и структура всех существующих в настоящее время классификаций суффозии зависят от понимания их авторами этого термина.
Некоторые из классификаций имеют частный характер, обусловленный узкой трактовкой понятия "суффозия", когда этим словом обозначают только фильтрационное разрушение дисперсных пород. В подобных классификациях (если их можно так назвать) обычно выделяют два типа процесса по характеру его развития и проявления. Например, К. Терцаги и Р. Пек [Terzaghi, Peck, 1948] считали, что суффозия (piping) может принимать вид выпора (bulk heave) или ограниченного в пространстве регрессивного фильтрационного разрушения пород, сопровождающегося их выносом, - подземной эрозии (underground erosion).
Если в таких "классификациях" достаточно последовательно реализован принцип дихотомии, их легко объединить. Фактически так и поступил Е.А. Лубочков [1962], проанализировав взгляды нескольких специалистов на суффозионный процесс. В результате оказалось возможным построить синтетическую классификацию фильтрационных разрушений несвязных грунтов, основанную на представлениях трех авторов (рис. 1.2). Согласно такой классификации, в ходе фильтрационного разрушения могут приходить в движение крупные массы грунта (выпор) или отдельные его частицы (размыв), которые либо перемещаются внутри массива (внутренний размыв), либо выносятся с его поверхности (внешний размыв) [Чугаев, 1936]. А.Н. Патрашев [1938] выделил две разновидности внутреннего размыва: чистый вынос, когда структурно-текстурные особенности грунта позволяют его частицам свободно перемещаться в поровом пространстве, и защемленный вынос, когда это невозможно. В свою очередь, Е.А. Лубочков разделил внешний размыв на микро- и макросуффозию, подразумевая в первом случае свободный вынос заполнителя из пор, а во втором - вынос частиц, составляющих скелет грунта.
Иерархическая классификация, представленная на рис. 1.2, предназначена для целей гидротехнического строительства и распространяется лишь на часть понятия "суффозия" в его широкой трактовке. Процесс к тому же классифицирован в другой терминологий, но речь здесь идет именно о суффозии. Подобных классификаций существует несколько, и из них наиболее известны три, предложенные B.C. Истоминой [1957], Ю. Цимсом [Ziems, 1967] и А.Г. Лыкошиным [1976].
В отличие от P.P. Чугаева, B.C. Истомина (рис. 1.3) дифференцировала выпор по степени локализации этого процесса и выделила группу фильтрационных разрушений грунта, контактирующего с более крупно нистым грунтом или материалом. Если фильтрационный поток на-авлен нормально контакту со стороны более мелкозернистого грунта, блюдается контактный выпор, если вдоль контакта - имеет место кон тный размыв. Суффозия, по B.C. Истоминой, представляет собой оцесс свободного перемещения частиц в порах.
Аналогично трактует термин "суффозия" немецкий исследователь Ю. мс. В предложенной им классификации (рис. 1.4) он выделил три ти свободного перемещения частиц фильтрационным потоком сквозь ры: внутри массива (внутренняя суффозия), на выходе потока (внеш-я суффозия) и в контактной области (контактная суффозия). Выделя-ся также четыре типа эрозии, и при этом под внутренней эрозией ав-классификации понимает локализованное фильтрационное разруше-е скелета, в отличие от гидравлического разрушения грунта (выпора). ешняя, щелевая и контактная эрозии представляют собой, согласно . Цимсу, размывание грунтов водой, соответственно, на дне подзем-го водотока, в узком канале сосредоточенной фильтрации и в зоне
такта грунтов разного типа. В качестве самостоятельного вида меха нических разрушении грунтов подземным потоком рассматривает кольматаж.
Классификация А.Г. Лыкошина (рис. 1.5) отличается от двух пред дущих тем, что она включает не только механические, но и химическ разрушения горных пород потоком подземных вод. Из них почти все исключением кольматажа и взлома) входят в понятие "суффозия", как о трактуется в данной работе. Необходимо отметить, что под термин "подземная эрозия" А.Г. Лыкошин понимает только размывание заполн теля крупных каналов и полостей (донная подземная эрозия) или трещ (трещинная подземная эрозия), под контактной суффозией то же, что Цимс, а под химической - фильтрационное выщелачивание растворим компонентов горных пород. Согласно А.Г. Лыкошину, внутрипласто механическая суффозия в "скелетных" породах проявляется как вын частиц из пор, а в "нескелетных условно однородных" - в виде разно разных деформаций, сопровождающихся выносом крупных масс раз шенных пород.
Кроме перечисленных общих классификаций, существуют и спе альные, в которых суффозия тоже представлена в других терминах, не обобщенно, а применительно к конкретным геологическим ситуа ям и проявлениям. Так, В.А. Мироненко и В.М. Шестаков [1974] счи ют, что фильтрационные деформации на откосах могут проявлятьс виде: 1) механической суффозии, под которой понимается свободи шос частиц из пор; 2) выпора и обрушения; 3) оплывания; 4) фильтра-онного выноса вдоль трещин - процесса, имеющего эрозионный ха-ктер. В разработанной JI.A. Молоковым [1985] классификации фильт-ционных деформаций заполнителя карстовых полостей и трещин про-ссы, охватываемые понятием "суффозия" в его широкой трактовке, дразделяются на: 1) оплывание в месте выхода подземного потока на верхность; 2) суффозию (вынос мелких частиц); 3) размыв эрозионно типа; 4) кольматацию. Дифференцируя суффозионные процессы, иводящие к формированию псевдокарстовых явлений, по особенно-ям среды их протекания, А.В. Ступишин [1972] говорит о существо-нии трех типов "суффозионного карста": глинистого, лессового и лесного.
Существуют, наконец, общие классификации суффозии, авторы ко-рых исходят из широкого понимания этого термина. К ним, прежде его, следует отнести классификацию Н.М. Бочкова [1936], представ-нную на рис. 1.6. В этой классификации под химической суффозией нимается выщелачивание растворимых солей, под колоидальной -ожный процесс размывания глинистого грунта, под механической — інос частиц грунтового скелета (прерывная механическая суффозия) или заполнителя пор (непрерывная механическая суффозия), под суф зией массы- вынос крупных масс грунта.
По сравнению с Н.М. Бочковым, значительно уже понимает терм "суффозия" В.Н. Славянов [1979], поскольку он, так же, как и А.Г. Л кошин, не включает в это понятие вынос крупных масс и размыван пород. Однако В.Н. Славянов классифицирует суффозию несколь иначе, чем А.Г. Лыкошин. Им выделено четыре типа суффозии: клас ческий, псевдоклассический, сложный и химический. Суффозия клас ческого типа представляет собой, по В.Н. Славянову, свободное пе мещение частиц в порах, а химического - растворение отдельных ми ральных зерен. Псевдоклассический и сложный типы суффозии про ляются в виде выноса частиц с поверхности грунта на выходе фильт ционного потока, причем во втором случае процесс локализован и им тенденцию к регрессивному распространению в глубину массива.
Как уже отмечалось в предыдущем разделе, Ю.В. Архидьяконск [1982] трактует понятие "суффозия" чрезвычайно широко, поэтом контексте данной работы имеет смысл рассмотреть лишь часть созд ной им классификации суффозионных процессов. Под принятое в кн определение термина "суффозия" подпадают только два типа суффоз выделенных Ю.В. Архидьяконских: 1) дренажно-денудационный, р вивающийся в сцементированных и несцементированных обломочн породах; 2) сложный, представляющий собой сочетание денудацион го и дренажно-денудационного типов. Первая разновидность суффоз характеризуется локальным повышением скорости подземного поток разрушением горной породы, вторая - вмыванием песчано-глинист материала в подземной полости естественного или искусственного п исхождения. Обе разновидности процесса приводят в своем развити компенсационному понижению земной поверхности.
Классификационную схему суффозионных процессов, предлож ную А.И. Печеркиным и В.Е. Закоптеловым [1982] трудно интерпре ровать, поскольку она имеет очень сложную структуру в графичес выражении. Анализ схемы и сопровождающего ее текста приводи выводу, что авторы делят суффозию на типы по сочетанию двух приз ков: характера среды протекания процесса и характера разрушения э еды подземными водами. В результате, дается оценка "суффозионно-и" различных типов горных пород по классификации Н.В. Орнатского выделяются три разновидности суффозии: 1) собственно суффозия, д которой подразумевается перемещение частиц в порах; 2) подземная озия (размыв стенок подземных каналов); 3) вмывание и вынос запол-теля из трещин и полостей. Третий тип относится авторами класси-икации к суффозии "с большой долей условности". Химическая суф-озия как самостоятельный тип не выделяется, хотя в схеме рассматри-ется "химическое и физико-химическое действие подземных вод на рные породы, вызвавшее суффозию".
Химическая суффозия и частичное фильтрационное разрушение
Основываясь на представлениях о суффозионном цикле и его фазах, ожно дать лишь самое общее описание закономерностей развития уффозии во времени. Для полноты этой достаточно сложной картины, еобходимо рассмотреть отдельные органичные стадии, которые прохо-ят суффозионные процессы в активной фазе суффозионного цикла, а остсуффозионные процессы - в его реактивной фазе. По мнению авто-а, это есть не что иное, как трактовка механизма развития суффозии.
Термин "механизм геологического процесса" явно пришел к нам из-а рубежа, начал широко использоваться в отечественной инженерной еодинамике несколько десятилетий тому назад, но до сих пор не имеет трогого и общепринятого определения. Например, под механизмом ползнеобразования одни специалисты понимают характер деформиро-ания склона [Тихвинский, 1988], а другие - последовательность его ромежуточных деформированных состояний [Дискуссия..., 1976]. Автор читает, что одно не противоречит другому и, не претендуя на обязатель-ость такого определения, понимает под механизмом геологического провеса имеющую типичные черты последовательность элементарных провесов-компонентов, рассматриваемых как стадии основного процесса.
Не вызывает сомнений, что для решения практических задач меха-изм развития суффозии должен в каждом конкретном случае рассмат-иваться индивидуально, с учетом разнообразных природных и техно-енных факторов, действующих в данной ситуации. Этому, однако, не ротиворечит попытка создания типовых схем механизма некоторых, аиболее часто встречающихся в природе или вызванных стандартной озяйственной деятельностью суффозионных процессов. По всей веро-тности, многие частные феномены могут вполне соответствовать по-обным типовым схемам.
Приуроченная к определенным инженерно-геологическим условиям оследовательность развития в пространстве и во времени основных енетических разновидностей суффозии проиллюстрирована пятью лок-схемами, первая из которых представлена на рис. 2.7. Схемы пре-ельно обобщены и не воспроизводят какие-либо реальные геологиче-кие объекты. На них арабскими цифрами обозначены характерные суффозионные проявления, римскими - типы горных пород, а латинскими буквенными аббревиатурами - периоды суффозионного цикла, соответствующие их образованию (см. рис. 2.5), с цифровыми индексами, указывающими на стадийность. Каждая из схем требует словесного комментария, что не в последнюю очередь связано с отсутствием между ними жестких границ.
Как уже отмечалось в разделе 2.1, химическую суффозию и частичное фильтрационное разрушение объединяет то, что оба эти процесса представляют собой массоперенос в подземных водах и формируют в массиве горных пород зоны разуплотнения. Образование таких зон представляет собой содержание активной фазы суффозионного цикла, как это показано на рис. 2.7. В реактивной фазе начинает проявляться некоторое различие между рассматриваемыми процессами.
При химической суффозии постсуффозионное уплотнение может происходить самопроизвольно под действием собственного веса разуплотненных пород. Оно резко ускоряется при внешних статических нагрузках [Петрухин, 1980], что в неблагоприятных условиях вызывает деформации здания или сооружения, передающего эти нагрузки (рис. 2.8). В СНиП 2.02.01-83 "Основания зданий и сооружений" этот феномен именуется суффозионной осадкой. К аналогичному результату приводят динамические воздействия на грунты, разуплотненные химической суффозией [Методические рекомендации..., 1983].
В противоположность этому, частичное фильтрационное разрушение в чистом виде не затрагивает скелетнесвязных дисперсных пород, принимающий на себя статические напряжения. Соответственно, постсуффозионное уплотнение инициируется в подобных случаях только динамическими воздействиями. Ярким примером в этом отношении служит деформация оснований двух, не похожих друг на друга памятников архитектуры [Пашкин, Бессонов, 1984]: здания музея изобразительных искусств в г. Москве и знаменитой дозорной башни в г. Невьянске Свердловской области. Такого рода процессы вызывают большое беспокойство у новозеландских специалистов в области дорожного строительства [Van Barneveld et al., 1984] в связи с неблагоприятными структурно-текстурными особенностями местных грунтов.
Тем не менее, оседания, возникающие на поверхности земли вследствие самопроизвольного постсуффозионного уплотнения, не так уж редко бывают приурочены к толще незаселенных несвязных дисперсных пород, явно не испытывавших каких-либо динамических воздействий. Это можно объяснить увеличением крупности таких пород с глубиной, кстати, весьма типичной для аллювиальных отложений. В подоб ой обстановке вертикальный нисходящий поток подземных вод, пере ещаюший мелкие частицы в поровом пространстве, может вызвать ло-іьное разрушение скелета вышележащих, более мелкозернистых, по-д на границе с нижележащими, более крупнозернистыми. Породы, спытавшие такое ограниченное фильтрационное разрушение, которое м. раздел 1.2) называют "контактным выпором" [Истомина, 1957] или щемленным выносом [Патрашев, 1938], спустя какое-то время могут плотниться и под действием собственного веса. Оседания, образующиеся на земной поверхности в результате суффо-онного разуплотнения горных пород, обычно имеют блюдцеобразную орму, круглую или овальную в плане, поэтому в степной и лесостеп-й зонах России их часто именуют степными блюдцами. Однако более отребительным и универсальным названием для подобных форм льефа является слово "западина". Вместе с тем, необходимо отметить, о западины могут представлять собой результат не только суффозии, также дефляции [Четырехъязычный энциклопедический словарь..., 80], термокарста [Геокриология..., 1988] и просадочности лессов [Ла-онов и др., 1959], хотя Н.И. Кригер [1975] считает, что степные блюд-следует отличать по генезису от просадочных явлений. Западины, идентифицируемые как суффозионные, имеют разные змеры, но обычно их диаметр не превышает 100, а глубина -2 м. Берім признаком суффозионного происхождения западин является слабая болоченность их дна, как можно видеть на рис. 2.9. В ходе частичного ильтрационного разрушения несвязных пород это происходит в том учае, когда их более крупнозернистые разности, выходящие на зем-ю поверхность, подстилаются менее крупнозернистыми. В результате, некоторой глубине образуется слабопроницаемый слой, поровое про-ранство которого плотно закольматировано перемещенными сверху нкими частицами [Ступишин, 1967; Макарова и др., 1998]. Если суффозионное разуплотнение (а, следовательно, и разупрочне-е) затрагивает породы, слагающие склон, то содержанием реактивной азы суффозионного цикла может стать образование не оседания (запа-ны), а оползня. Любопытно, что оползни именно этого генезиса Ф.П. аваренский [1939] называл суффозионными, но со временем такое ломание термина "суффозионный оползень" было почти полностью ут-чено. В России оползни, обусловленные химической суффозией, проте-ющей в глинистых породах, наиболее ярко проявляются на Северном вказе, где их именуют "оползнями просадочного типа" [Лисовин, 68] или "оползнями выплывания" [Рекомендации.., 1983]. Согласно .Е. Закоптелову и А.И. Печеркину [1979], суффозионное разуплотне-е трещиноватых песчаников подготавливает в ряде случаев оползне-разование на берегах камских водохранилищ. На опасность оползней, вванных частичным фильтрационным разрушением несвязных пород, азывают в своей широко известной работе чехословацкие исследовали К. Заруба и В. Менцл [1979].
Подход к прогнозированию суффозии
В соответствии с требованиями СП 11-105-97 "Инженерно-геологи ческие изыскания для строительства" при существующем или ожидае мом развитии опасных геологических процессов, к которым, согласи СНиП 22-01-95 "Геофизика опасных природных воздействий", относит ся и суффозия, необходимо их качественное и количественное прогно зирование. При этом качественный прогноз должен, как правило, осу ществляться при изысканиях для разработки предпроектной документа ции, а количественный - для разработки проекта.
Обычно качественный прогноз реализуется в соответствии с дихото мическим критерием "да - нет" (иногда с промежуточными вариантами и не может быть выражен числом с определенным физическим смыс лом, если только оно произвольно не присвоено. В лучшем случае каче ственный прогноз имеет балльную форму выражения, в худшем - при обретает облик пространных словесных описаний.
Качественный прогноз не является чем-то второстепенным по отно шению к количественному. Он обладает определенными достоинствами к числу которых относятся быстрота осуществления, однозначность способность базироваться на любых данных, на чисто концептуальны представлениях и даже на интуиции. Однако в большинстве случаев ме роприятия по защите от опасных геологических процессов могут быт правильно выбраны, эффективно спланированы и успешно осуществле ны только на основе количественного прогнозирования.
а. Качественные прогнозы суффозионных процессов
Прежде всего, необходимо отметить, что в общей прогностике [Ли сичкин, 1972] не существует какой-либо дифференциации качественны прогнозов. В инженерно-геологической прогностике Г.К. Бондари [1972] делит методы, применяемые для качественного прогнозирования на две группы: методы геологических, физико-географических и техно генных индикаторов и методы инженерно-геологических аналогий. Без относительно к такому разделению автор, основываясь на имеющемс опыте качественного прогнозирования суффозии, считает, что его мож но реализовать с помощью четырех подходов1: 1) анализа знаковых мо
Данный перечень не следует рассматривать как классификацию качественных м тодов инженерно-геологического прогнозирования. елей; 2) сравнения с эталонами; 3) историко-геологического анализа; 4) кспертных оценок. Рассмотрим каждый из этих подходов в указанной оследовательности. В ряде случаев качественное прогнозирование суффозии может осу ествляться на основе прямого анализа информации, полученной в ходе нженерных изысканий или из других источников. Например, суффози-нно опасными следует считать места обнаружения поверхностных или одземных суффозионных проявлений, а при их отсутствии - места со-редоточения природных или техногенных воздействий, инициирующих уффозию. В свою очередь, участки, в пределах которых отсутствуют словия, необходимые для появления суффозии, могут считаться безо-асными.
Такой подход обычно реализуется путем создания и последующего нализа знаковой модели местности, чаще всего имеющей вид карты. На том принципе основана методика регионального прогнозирования раз-ития карстово-суффозионных процессов, разработанная сотрудниками нститута геоэкологии РАН [Кутепов, Кожевникова, 1989]. Аналогич-ого подхода придерживается французский исследователь М. Тульмон Toulemont, 1987] при прогнозе развития экзогенных геологических роцессов, в число которых входит и суффозия.
Иногда появляется возможность сравнивать количественные харак-еристики факторов, инициирующих суффозию, или условий ее проте-ания с некоторыми эталонными характеристиками, например, с помо ью палеток. В роли эталонов выступают установленные когда-то ранее еоретическим или эмпирическим путем пороговые величины опреде-енных показателей состава и свойств горных пород, подвергающихся идрохимическому или гидродинамическому воздействию, а также кри-ические величины самих этих воздействий. К подобным эталонам от-осятся, например, степень засоленности горных пород [Петрухин, 980]; критерий "суффозионности" несвязных дисперсных пород, опре-еляемый по их гранулометрическому составу [Фадеев, 1974], и крити-іеский градиент развития суффозии [Истомина, 1957].
Наиболее широкое распространение данный подход получил в об-асти гидротехнического строительства [Гидрология..., 1988]. В частно-ти, СНиП 2.02.02-85 "Основания гидротехнических сооружений" пре-усматривает сравнение характеристик фильтрационного потока, опре-еленных с помощью физического или математического моделирования, некоторыми нормативными значениями или экспериментально уста-овленными величинами. Аналогичные требования выдвигает СНиП .06.05-84 "Плотины из грунтовых материалов".
При качественном прогнозировании суффозии, особенно во времен-ом аспекте, нередко используется подход, который в инженерной гео-инамике обычно именуется историко-геологическим анализом, а в про-ностике - прогнозной ретроспекцией. Его целесообразно применять в ех случаях, когда суффозия сочетается с другими экзогенными геоло гическими процессами или когда ее проявления имеют сложную и дли тельную историю формирования, прослеживающуюся в их структуре.
В качестве примера можно привести исследования, позволившие н основе анализа геологической информации оценить характер дальней шего поведения горных пород на участке крупного оползня, в образова нии которого значительную роль сыграла суффозия [Хоменко, Егоров 1988]. Следует отметить, что этот способ качественного прогнозирова ния, в принципе, не подлежит нормированию.
Наконец, для качественного прогноза суффозии могут применятьс экспертные оценки. Методика осуществления коллективных экспертам оценок в настоящее время разработана достаточно хорошо [Рабоч-книга..., 1982] и, в частности, успешно использовалась А.Д. Кочевым др. [1989] при изучении карстово-суффозионных процессов натеррито рии Москвы и Подмосковья с целью их прогнозирования.
Социально-экономические и экологические последствия суффозии
Как это ни покажется странным, но развитие суффозии может иметь позитивные последствия для жизнедеятельности человека. Это происходит в двух случаях: когда суффозионные процессы имеют природное происхождение и приурочены к незастроенным и малоосвоенным территориям, и когда суффозия целенаправленно используется в хозяйственных целях.
Ситуации первого рода встречаются довольно редко, возникают стихийно и для того, чтобы из них можно было извлечь реальную пользу, как правило, необходимы некоторые организационные мероприятия. Речь идет о не вызывающем ущерба формировании суффозионных проявлений, имеющих эстетическую, научно-познавательную и рекреационную ценность. Так, например, отдельные суффозионные (особенно кластокарстовые) пещеры могут представлять собой весьма значимые объекты спелеологических исследований и спелеотуризма [Дублянский, Андрейчук, 1989], а некоторые озера суффозионного происхождения являются уникальными памятниками природы [Русских, 1992].
Хозяйственное использование суффозии практикуется уже многие десятилетия, позволяя решать конкретные инженерные задачи, достигать экономии средств и ликвидировать некоторые нежелательные явления. Так, благодаря искусственно вызываемой химической суффозии, осуществляется промывка засоленных почв [Волобуев, 1975], ас помощью управляемой подземной эрозии, как компонента единого суффози-онно-кольматационного процесса, достигается самозалечивание сквозных поперечных трещин в глинистых ядрах земляных плотин [Истомина и др., 1975]. Фильтрационное разрушение песчаных пород при определенном режиме отбора из них воды позволяет формировать устойчивые водоприемные полости бесфильтровых скважин [Архидьяконских, 1982]. Сочетание подземной эрозии и фильтрационного разрушения используется при скважинной гидродобыче твердых полезных ископаемых, содержащихся в несвязных дисперсных породах [Гайдин, 1996].
Однако, несмотря на все это, при взаимодействии суффозии со сферой человеческой жизнедеятельности явно доминируют негативные последствия. Дело в том, что в результате суффозионного разрушения горных пород ухудшаются их прочностные и деформационные характеристики, а также увеличивается их проницаемость. Когда испытавшие суффозионное разрушение породы находятся в зоне взаимодействия с каким-либо инженерным сооружением, это может привести к его деформированию, а если это сооружение гидротехническое, то и к недопустимым фильтрационным потерям из искусственных водотоков и водоемов. Еще большую опасность представляют ситуации, когда такие суффозионные проявления, как оползни, оседания и провалы, непосредственно контактируют с неподготовленными к этому конструктивными элементами зданий и сооружений. Вообще, характер суффозионных и постсуффозионных процессов, а также морфология суффозионных проявлений и динамика их формирования таковы, что применительно к суффозии можно говорить о принципиальной возможности если не всех, то подавляющего большинства известных деформационных воздействий на сооружения, возводимые в сложных инженерно-геологических условиях [Метелюк, 1980].
Учитывая эти обстоятельства, а также тот факт, что жизнедеятельность человека и, в первую очередь, хозяйственная деятельность и ее последствия, могут подготавливать или непосредственно вызывать суффозию (см. главу 2), речь следует вести о взаимовлиянии суффозии и функционирующего хозяйственного объекта. В своих крайних проявлениях оно может принимать четыре формы: 1) влияние на объект суффозии природного происхождения; 2) взаимовлияние объекта и техногенной суффозии, обусловленной его функционированием; 3) взаимовлияние объекта и техногенной суффозии, обусловленной функционированием другого объекта; 4) влияние объекта на суффозию, не вызывающее ответной реакции для него самого и для других объектов. При инженерных изысканиях и проектировании легче всего бывает предусмотреть первую из перечисленных ситуаций, труднее всего - третью, а целью проектирования является создание четвертой. В целом, взаимосвязь суффозионных и постсуффозионных процессов с хозяйственной деятельностью в значительной мере зависит от ее характера.
Наиболее активно и ярко взаимодействуют с суффозией объекты гидротехнического строительства. Связанные с их созданием и функционированием изменения естественного гидродинамического режима подземных вод способны в неблагоприятной обстановке инициировать суффозию. Сами же гидротехнические сооружения могут представлять собой как среду ее развития (земляные плотины, дамбы), так и области перемещения и выноса разрушенных ею пород (каналы, водохранилища).
Наглядной иллюстрацией к- этому служат статистические оценки, данные в 70-х годах прошлого века. Так, около 60% различного рода аварий на. плотинах, построенных в США, в той или иной мере обусловлены геологическими факторами [Flagg, 1979]. Из всех зафиксированных к этому времени в мире случаев разрушения плотин, вызванных геологическими причинами, 28% было связано с суффозией [Cuenod, Dal Vesco, 1979]. В общем числе аварий на земляных плотинах хвосто-хранилищ и золоотвалов, случившихся в период с 1950 по 1975 г., эта доля еще выше и составляет 47% [Sobczak, 1976].
По-видимому, самая грандиозная катастрофа подобного рода произошла в 1976 г. на территории США в результате вызванного подземной эрозией разрушения земляной плотины Титон в штате Айдахо. Причиной этого события послужило размывание глинистых пород ядра плотины на контакте с трещиноватыми скальными вулканогенными породами ее основания. Ущерб от катастрофы исчислялся сотнями миллионов долларов, и при этом погибло 14 человек [Engineering geology..., 1989].
Одно из наиболее катастрофичных по своим последствиям суффози-онных разрушений берегов искусственных водоемов также наблюдалось в США в 1918 г. на водохранилище Сидар [Терцаги, 1958]. Сдвинувшееся в него тело суффозионного оползня привело к наводнению, в результате которого произошло крушение поездов на близлежащей железной дороге, а также был разрушен г. Эджвик и несколько промышленных предприятий.
С суффозией часто бывает связано разрушение ирригационных каналов и расположенных вблизи них объектов различного назначения (зданий и сооружений, мостов, дорог и т.д.). В зависимости от характера пород, слагающих дно и борта каналов, они могут подвергаться любым видам суффозионного разрушения (см. табл. 2.1), протекающим как в "чистом" виде, так и в различных сочетаниях. Разумеется, при этом доминирует присклоновая суффозия, но встречается и закрытая (внутренняя), вызванная нисходящим потоком, причем не только в карстовых районах [Передельский, 1968]. Значительный материальный ущерб от такого рода процессов отмечался на оросительных системах Северного Кавказа [Васильев, 1978], Степного Крыма [Инженерно-геологическое обоснование..., 1978], Средней Азии [Маматкулов, 1985], Грузии [Церц-вадзе и др., 1985], Армении [Инженерная геология..., 1976-1978], а также в некоторых аридных районахСША [Engineeringgeology..., 1989].
