0

Суффозионные процессы

4.1.8 Карстовые и суффозионные процессы

Карст — это и форма и процесс.

Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся процесс растворения или выщелачивания осадочных горных пород подземными и поверхностными водами (коррозионный процесс).

Причины возникновения карста:

Наличие трещиноватости в растворимых горных породах.

Движение воды и ее минерализация. Наиболее сильно растворяет породы слабоминерализованная вода и содержащая свободную углекислоту.

Количество осадков.

Климат.

По химическому составу пород различают: карбонатный (известняки, реже доломиты), сульфатный (гипс и ангидрит), соляной (галит и сильвин).

Наиболее растворимы соли, затем гипсы , труднее растворяются известняки.

На интенсивность процесса влияет низкая минерализация, повышенная температура и скорость движения воды, крупность зерен в породе и ее трещиноватость.

Различают карст наземный и подземный.

Наземные формы карста:

Карры – мелкие борозды и гребни на обнаженных поверхностях карстующихся пород.

Воронки – углубления различных форм и размеров (поверхностные и провальные). Наиболее распространенные поверхностные формы карста. Воронки бывают весьма разнообразны: от пологих и мелких до крутосклонных (рис 37). Диаметр воронок редко превышает 50 м., а глубина – 15–20 м.

Блюдца и западины представляют собой мелкие карстовые воронки с пологими бортами.

Поноры – узкие глубокие отверстия, наклонные или вертикальные, поглощающие поверхностную воду и отводящие её вглубь карстового массива. Поноры возникают на узлах пересечения трещин при дальнейшем развитии карста.

Колодцы и шахты – вертикальные или наклонные карстовые формы, уходящие в глубину на десятки и сотни метров. Они образуются при дальнейшем развитии поноров. Известны шахты глубиной до 1100 м.

Рис 37 Карстовая воронка, Пермский край (фото с сайта http://perm-kray.ru

Слепые долины рек заканчиваются не впадением в другой водоем, а карстовыми воронками и понорами, в которых вода уходит под землю. В отличие от них, полуслепые долины сохранили хорошо различимый отрезок долины ниже поноры, называемый суходолом.

Башенный карст – одна из последних стадий развития поверхностного карста, при которой подавляющая часть горных пород растворена и вынесена, а самые прочные блоки сохраняются в виде огромных отдельных останцов. Башенный карст характерен для жаркого влажного климата Юго-Восточной Азии.

Подземные формы карста

Пещеры – естественные подземные полости. Большие помещения называются залами, поменьше – гротами. Ходы, заполненные водой – сифонами.

В сильно закарстованных районах наблюдается несколько этажей пещер.

Важное значение имеет степень активности карстового процесса. Различают действующий карст, который развивается в современных условиях и пассивный или древний карст, у которого формы заполнены делювиально-пролювиальным материалом, задернованы. При изменении базиса коррозии (обычно уровень ближайшей реки) и других причин пассивный карст может перейти в действующий. Нижний предел развития карста называется базисом коррозии (рис. 38).

Понижение уровня базиса коррозии вызывает понижение уровня грунтовых вод, старая пещера становится осушенной, а новая формируется ниже.

Рис. 38 Зоны карстового массива в известняках

I– зона развития карста;II– зона цементации; УГВ – уровень грунтовых вод

Пещеры могут формироваться в любых карстующихся породах, однако наиболее характерны для областей развития мощных карбонатных толщ.

Самая протяженная соляная пещера находится в Иране. Её протяженность составляет 6,5 км. Она состоит из пещер «Трое обнаженных» и «Погружение», которые по результатам топографической съёмки 2005 г. оказались соединяющимися в единую систему.

Самой глубокой пещерой в мире является пещера Воронья (Крубера) в Абхазии. На настоящий момент её установленная глубина превышает 2040 м.

Кунгурская пещера – длина 4,6 км.

Наиболее крупной пещерой является Мамонтова пещера в Северной Америке – длина всех проходов и галерей 240 км (несколько озер, река и т.д.).

Просачивающаяся по трещинам вода сильно минерализована. При её попадании в большие пространства и соприкосновении с воздухом она либо теряет часть растворенной углекислоты и высаживает карбонат при карстовании известняков, либо испаряется и высаживает гипсы при развитии карста по сульфатам. При минусовых температурах натечные образования слагаются льдом. В разрезе все натечные образования (например, сталактиты) зональны, что позволяет читать историю их образования. Так, значительное осушение пещеры и временное прекращение или сильное замедление роста будет отражаться в виде более плотных и шероховатых корочек.

В зависимости от своего положения в пещере и формы, натечные образования подразделяются:

Сталактиты – выросшие на своде пещеры из просачивающейся воды. Иногда можно наблюдать ряды сталактитов, маркирующие трещину в потолке.

Сталагмиты – выросшие на полу из капающей сверху воды. Так как упавшая капля воды растекается по сталактиту, они обычно более короткие и широкие по сравнению со сталактитами. Обычно растут непосредственно под сталактитами (рис39).

Сталагматы – вертикальные колонны. Образуются из доросших до пола сталактитов или из соединившихся и сросшихся сталактита и сталагмита.

Рис. 39 Сталактиты и сталагмиты (© B.Merkel,2003www.geo.tu-freiberg.de/hydro/impressions.html)

Анемолит – сталактит или сталагмит, отклоненный от вертикального положения односторонним испарением вод, вызванным циркуляцией воздуха в пещере.

Гуры – наплывы на полу пещеры, похожие на оплывший стеарин.

Завесы образуются при равномерном просачивании воды через трещину в потолке, благодаря чему имеют практически постоянную толщину.

Недоучет карстовых процессов в инженерно-строительной деятельности может привести к серьезным последствиям: 1) просадке и провалам жилых зданий над подземными полостями; 2) деформациям железнодорожного или автомобильного полотна; 3) значительной утечке воды из водохранилищ; 4) поступлению грунтовых вод в подземные выработки через карстовые полости.

При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на повышение устойчивости и прочности пород и на прекращение развития карстовых форм.

Строительство на целиках, свайные фундаменты.

Повышение устойчивости и прочности пород – предотвращение доступа воды к карстующимся породам (нагнетание в трещины жидкого стекла, глинистого или цементного раствора).

Прекращение развития карстовых форм – гидроизоляция поверхности жирной глиной, сооружение дренажных систем, откачки, регулирование стоков (ливнеотводы).

При проектировании предусматриваются комплексные инженерно-геологические изыскания согласно СП 11.105.97 ч.II, включающие геофизические методы (электроразведка), позволяющие определить формы подземного карста.

Карстовые районы по степени устойчивости согласно СНиП делятся на 5 категорий:

– весьма неустойчивые (в год образуется 5–10 воронок на 1 квадратный км). Может достигать 100 и более (300–350), например с. Бабки (Чусовая – Кама);

– неустойчивые – 1–5 воронок;

– средней устойчивости – 1 воронка за 1 – 20 лет;

– устойчивые – 1 воронка за 20–30 лет;

– весьма устойчивые – свежих провалов не зарегистрировано за последние 50 лет.

Суффозия – вымывание мельчайших нерастворимых частиц грунта подземными водами. Это явление часто приводит к образованию суффозионных воронок.

Условия возникновения: неоднородность гранулометрического состава и появление критического гидростатического напора более 5.

Меры: уменьшение скорости и градиента потока, дренаж, отвод вод.

В городских условиях может провоцироваться хозяйственной деятельностью человека; например, протечками из труб, изменением направления грунтовых вод из-за строительства, подземными коммуникациями.

Выводы:

Геологическая опасность карста и суффозии – образование различных по положению и форме пустот и провалов.

Процессу карстообразования подвержены осадочные породы: известняки и доломиты, гипс, каменная соль.

Суффозии подвержены обломочные грунты неоднородного состава.

Понижение базиса эрозии приводит к активизации процессов.

Инженерно-геологические исследования производится в соответствии СП11.105.97 ч.II.

При строительстве основой всех мероприятий, направленных на прекращение развития карста и суффозии является прекращение фильтрации воды.

Применять свайные фундаменты, специальные конструктивные решения и строительство на целиках.

Проводить мониторинг.

Механическая суффозия а также химическая это процесс выноса частиц породы подземными водами вызывающий оседание поверхности земли в данных условиях.

◊ Растворимость и размываемость горных пород

Подземные воды, движущиеся в порах и пустотах горных пород, в определенных условиях могут размывать и растворять породы .Часто размывание и растворение происходит одновременно . Однако в зависимости от химического состава пород и воды, условий движения воды и других факторов явления размывания и растворения проходят с различной степенью интенсивности. Размывание выражается в том, что движущаяся вода захватывает мелкие частицы породы и уносит их с собой.

В скальных породах движущаяся вода оказывает размывающее действие на стенки трещин и пустот. Наличие в воде взвешенных мельчайших минеральных частиц усиливает действие размыва. Однако в основном размывающее действие подземных вод относится к нескальным породам. Вследствие выноса более мелких фракций пористость породы и размеры пор увеличиваются .

Чем больше размеры пор, тем больше размеры фракций , которые могут быть через них вынесены водой.Когда пористость станет чрезмерно большой и размеры пор превысят размеры основной массы частицы, начнут происходить изменения и сложения породы.

Размыв горной породы сопровождается ее растворением. Строго говоря, в воде растворяются все горные породы. Однако растворение таких пород , как гранит , базальт и подобных им, идет чрезвычайно медленно и требует громадных количеств воды. Процесс растворения горных пород зависит от степени минерализации воды. Порода поддающаяся растворению в дистиллированной воде, становится практически нерастворимой в обычной речной воде , поэтому магматические породы считаются нерастворимыми.

Осадочные породы, в состав которых входят соли угольной и соляной кислоты ( например, кальцит, каменная соль), сравнительно легко растворяются водой. Содержание соли серной кислоты ( ангидрит, гипс) растворяются водой значительно медленнее. В результате совместного действия размывания и растворения горных пород в них могут образовываться очень большие пустоты-подземные пещеры.

Известны большие пещеры в Крыму, Сибирии, на Кавказе. Большую известность получила Кунгурская пещера в Пермской области. Самая большая из известных подземных пещер находится в США ( мамонтова пещера). Длина ее вместе со всеми разветвлениями составляет около 250 км. В ней несколько этажей , встречаются отдельные залы высотой до 30 м. На дне этой пещеры протекает подземная река и есть несколько подземных озер.

Суффозия механическая и химическая

Подземные воды в своем движении действуют на вмещающие породы механически и химически.При этом частицы породы выносятся, а поверхность земли над образующимися пустотами оседает .Процесс выноса частиц породы , вызывающий оседание поверхности земли в данных условиях, называется суффозией9 подкапыванием).

До настоящего времени явление суффозии еще мало изучено, однако наблюдения и эксперименты , произведенные многими учеными , позволяют сделать некоторые выводы. Горные породы( грунты), подверженные суффозии, водонасыщены, и возможность выноса отдельных частиц определяется их размерами, минералогическим составом, скоростью фильтрации движущейся воды и величиной гидродинамического давления.

Так как процесс суффозии заключается в переносе мелких частиц породы через поры между крупными частицами, то большое значение имеет размер пор.Принято различать суффозию механическую, связанную только с перемещением частиц породы и химическую, связанную с процессами выщелачивания .Химическая суффозия, как правило играет вспомогательную роль.

В процессе химической суффозии разрушаются кристаллические связи, вследствие чего частицы породы освобождаются и получают возможность перемещаться. В первую очередь растворяются соли, находящиеся на стенках пор, затем-легко растворимые карбонатные частицы. В результате растворения солей и карбонатных частиц поры в породе увеличиваются, что в свою очередь облегчает процесс выноса мелких нерастворенных частиц.

Наблюдая суффозионные явления, И.И. Бочков установил, что наибольшее развитие они получают при условии, что основная масса породы состоит из двух резко различных по размеру фракций. В песчаных породах отношение размера частиц D к размеру поры dпор по данным И.Б. Бочкова, примерно равно 2,5. Для того, чтобы мелкие песчинки могли свободно передвигаться в порах, размер поры dпор должен быть больше размера движущейся частицы примерно в 8 раз.

Следовательно, необходимым условием суффозионного выноса должно соотношение размеров крупных частиц D и мелких частиц d не менее чем:

D/d=(D/ dпор)( dпор/ d)=2,5 · 8=20.(
Наличие в поре частиц других размеров будет затруднять вынос частиц диаметра d. Для того чтобы могло происходить передвижение частиц породы , сила движущейся воды должна преодолеть силу тяжести этих частиц . Гидродинамическая сила равна градиенту фильтрации , умноженному на удельную силу тяжести воды.

Принимая удельную силу тяжести воды равной единице, можно считать что гидродинамическая сила численно равна градиенту фильтрации.В природных условиях градиенты фильтрации, вызывающие суффозию, возникают по берегам рек, а в водоносных горизонтах , подпертых паводковыми водами –после быстрого спада паводкового уровня.

Суффозия может возникать в основаниях плотин, откосах карьеров, котлованов и других искусственных выемок, особенно при интенсивной откачке из них воды. Таким образом, решение вопроса о возможности суффозионного выноса сводится к нахождению необходимого для этого градиента фильтрации.Е.А. Замарин считает что критический градиент фильтрации при котором происходит взвешивани е песчаных частиц можно определять по формуле:
Iвзв=(γуд-γв)(1-n)+0,5 n,
Где γуд –удельная сила тяжести частиц породы; γв -удельная сила тяжести воды; n- пористость породы в долях единицы .

Известно, что крупные частицы породы выносятся при больших значениях градиента фильтрации, чем мелкие.Объясняется это явление тем, что гидродинамическая сила принадлежит к числу объемных сил и действует по поверхности сопротивления.Следовательно, если принять частицы породы шаровидными, то можно прийти к выводу, что величина гидродинамического давления, необходимого для передвижения частицы, должна быть пропорциональна ее диаметру.

Н.Н. павловский считает, что для частиц со средним диаметром ( от 0,25 до 1,0 мм) величина критического градиента фильтрации равна среднему диаметру частиц: I кр=dср. Зависимость между гидродинамической силой и диаметром частиц установлена Н.Н. Павловским для свободного перемещения частиц породы.

В массиве породы при медленном параллельно струйчатом движении воды перемещаемые частицы могут закупоривать поры .Чтобы этого не происходило, необходимо вихревое движение воды.Как известно из опытов, в песчаных породах турбулентное движение возникает при градиентах фильтрации больше 5 5. Более точно скорость движения воды на переходе от ламинарного движения к турбулентному может быть определена по формуле Н.Н. Павловского:

V kp=0,002(0,75n+0,23)(Re/de), где

V kp –критическая скорость фильтрации; n- пористость, доли единицы; de-эффективная ( действующая) величина частиц породы ; Re-критическое число (число Рейнольдса) Re=vde/υ; где υ-кинетический коэффициент вязкости.При значениях скорости фильтрации v< vкр движение воды в горных породах будет ламинарным, а при скорости фильтрации v>v кр –турбулентным. Н.Н. Маслов приводит следующие значения критических скоростей фильтрации , необходимых для выноса фракций различных размеров:

Диаметр частиц, мм … 1,000 0,500 0,100 0,050 0,010 0,005 0,001

Критическая скорость , см/с … 10,00 7,00 3,00 2,00 0,50 0.12 0,02

На основе произведенных экспериментальных исследований Д. Джастин указал критические размывающие скорости фильтрации для песка и гравия различного размера:

Диаметр частиц, мм …. 5,0 3,0 1,0 0,8 0,5 0,1 0,08 0,05 0,03 0,01

Критическая скорость , см/с …. 22,1 17,3 9,85 8,83 6,97 3,05 2, 79 2,19 1,74 0,98

Значения критических скоростей и градиентов фильтрации в однородных песках различной крупности, по данным И.Ф. Володько, следующие:

Диаметр, мм … 0,57 0,90 1,35

Критическая скорость м/сут (см/с) … 890(1,03) 530(0,61) 300(0,35)

Критический градиент … 6,67 1,63 0,54

Для определения возможности суффозии по формулам приходится часто пользоваться понятием среднего размера частиц породы.По данным В.С. Истоминой, могут быть получены следующие соотношения: действительная пористость породы в долях единицы:

n′=n(1-0,114(1-n)/n), где n- пористость породы; разрушающая скорость фильтрации в порах породы , см/с: qкр=vкр/n′,

где vкр-критическая скорость движения воды , м/сут или м/с; расчетный диаметр частиц породы , мм:

d расч=(1,9√γв/√(γуд-γв)]·√(vкр·γуд),

где γуд-удельная сила тяжести частиц породы, Н/м³; γув-удельная сила тяжести воды,Н/м³; средний диаметр пор в породе, мм:

dср.пор=3,1√Кф.ср·γв·η/n′,

где Кф.ср-средний коэффициент фильтрации, см/с; η-динамический коэффициент вязкости воды, см²/с.Используя данные, полученные из экспериментов, В.С. истомина установила, что фильтрационное разрушение породы в восходящем потоке воды начинается при критическом градиенте

Iкр=4,5 (dрасч/dср.пор)²

Явление суффозии может также возникнуть на контакте двух слоев в тех случаях, когда величина коэффициентов фильтрации для них будет отличаться более чем в два раза. Таким образом, устанавливается возможность суффозионного выноса на контакте между прослойками глинистых и песчаных пород или песчаных и гравелистых.

Для того чтобы найти для этого случая критическую скорость суффозионного выноса, С.В. Избаш предложил формулу:

Vкр=V0+f(d²/D²),

где Vкр-критическая скорость суффозионного выноса ; V0-скорость, при которой преодолевается масса частиц; D и d-диаметр частиц.По экспериментальным данным Л.М. Козловой , возможность суффозии на контакте между гравелистыми и песчаными породами возникает при скоростях фильтрации в сантиметрах в секунду:

Vкр=0,26d²60,

где d60,D60-размеры частиц , мм мельче которых в породе содержится 60%.Формула Л.И. Козловой получена экспериментально для значений d60 от 0,088 до 0,5 мм и D60 от 2,0 до 15,0 мм.
Суффозия часто служит причиной возникновения оползней и провалов земной поверхности , образования степных блюдец и так далее. И.В. Попов указывает, что при инженерно-геологических исследованиях необходимо проверить возможность возникновения суффозии, для чего следует выяснить:

а)Какие породы и в каких местах и условиях теряют свою прочность вследствие выщелачивания солей, создающих структурные связи или ослабление коллоидных структурных связей при периодическом высыхании и увлажнений.

б) Каковы гранулометрический состав, текстура и нарушенность породы .

в) Где, за счет каких источников и по каким внутренним путям возможно движение воды через легко размываемую породу.

К этим рекомендациям И.В. Попова необходимо добавить еще и рекомендацию о выяснении на месте действующих градиентов, их величины и направления. Для борьбы с суффозией следует применять все известные меры по прекращению движения воды через размываемый массив .Возможен тампонаж породы твердеющими растворами, устройство дренажа, противофильтрационных завес и прочее.

Ломтадзе В.Д. пишет, что для уменьшения выходных градиентов и скоростей подземного потока в зоне его разгрузки часто устраивают обратные фильтры ,то есть отсыпку водопроницаемых пород слоями в порядке постепенного возрастания размера частиц от мелких к крупным в направлении фильтрационного потока.

Читай продолжение карстовые процессы

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *