В РАЙОНАХ РАЗВИТИЯ КАРСТА

Под карстом следует понимать совокупность геологических процессов и явлений, вызванных растворением подземными и (или) поверхностными водами горных пород и проявляющихся в образовании в них пустот, нарушении структуры и изменении свойств.

Карстовый процесс сопровождается размывом пород, суффозией, деформациями поверхности земли и оснований зданий и сооружений (провалы, оседания, воронки), изменением свойств грунтов покрывающей толщи, формированием особого характера циркуляции и режима подземных и поверхностных вод и специфического рельефа местности.

Среди поверхностных карстовых форм следует различать: воронки — замкнутые впадины, образующиеся и растущие в результате провалов и локальных оседаний грунта, слагающего земную поверхность; карры — формы поверхностного растворения горных пород; поноры — трещины, поглощающие воду; сложные карстово-эрозионные впадины (овраги, котловины и др.) — формирующиеся за счет взаимодействия провалообразования и эрозии; мульды оседания — понижения, вызванные общим оседанием земной поверхности.

К подземным карстовым формам относятся: расширенные растворением (раскарстованные) трещины; поры растворения (до 2 мм); каверны (от 2 до 20 мм); разнообразные полости (в том числе, пещеры); разрушенные и разуплотненные зоны; поверхности растворения слоев карстующихся пород; нарушения залегания горных пород в результате их сдвижения и обрушения над карстовыми полостями, разрушенными и разуплотненными зонами; воронки и другие карстовые формы погребенного палеорельефа земной поверхности.

По отношению к подземным водам карстующиеся породы следует подразделять на залегающие в зоне аэрации, в зоне водонасыщения, а также в переходной зоне колебания уровня карстовых вод, которая в определенных условиях может составлять десятки метров и являться определяющей для оценки карстоопасности.

По времени образования различаются древний карст, завершивший свое развитие (и, как правило, погребенный под более молодыми отложениями) и современный карст, проявляющий себя в образовании новых карстовых форм.

Оживление древнего карста вызывается двумя причинами:

· интенсивными современными тектоническими движениями (поднятием) или изменениями гидрогеологических и гидротермических условий территории при техногенных воздействиях, что приводит к возобновлению растворения горных пород;

· изменением напряженного состояния и физико-механических свойств горных пород, покрывающих завершившие свое развитие подземные карстовые формы, их гидродинамическим разрушением и выносом мелкого материала (суффозией), а также динамическими воздействиями, что приводит к образованию поверхностных карстовых форм.

Технологическая схема изысканий в районах развития карста должна предусматривать определенную последовательность выполнения работ и оптимальное сочетание (комплексирование) различных методов исследования:

· сбор и анализ имеющихся материалов в комплексе с изучением крупномасштабных карт и планов и предварительным карстологическим дешифрированием аэрокосмоснимков (АКС);

· маршрутные наблюдения с карстологическим обследованием и полевое дешифрирование АКС;

· наземные геофизические работы, скважинные геофизические исследования и другие специальные работы (резистивиметрия, термометрия, расходометрия, кавернометрия, фотометрия и др.);

· бурение карстологических скважин на выявленных геофизическими исследованиями участках аномалий и ослабленных зон, сопровождающееся хронометражем, гидрогеологическими и другими необходимыми наблюдениями;

· полевые исследования грунтов (пенетрационно-каротажные, зондирование и др.);

· гидрологические и гидрогеологические исследования;

· лабораторные и экспериментальные исследования растворимости, размокаемости и других свойств карстующихся и покрывающих пород, химического состава вод в зонах различной закарстованности; математическое и физическое моделирование развития карстового процесса;

· стационарные наблюдения;

· обследование грунтов оснований существующих зданий и сооружений;

· камеральная обработка материалов и составление технического отчета.

Программа инженерно-геологических изысканий должна

соответствовать техническому заданию Заказчика и нормативным требованиям

[39, 42, 44] и отражать современную изученность геологического строения,

гидрогеологических условий и карста исследуемой территории. В сложных

условиях на слабоизученных территориях до составления программы

целесообразно проведение предварительного обследования. В этом случае

возможно выделение этих работ вместе со сбором, анализом и обобщением

материалов исследований прошлых лет (включая изучение научно-технических

публикаций) в отдельный этап с отражением его в договорной документации.

На площадях I – III категорий устойчивости со средним диаметром карстовых

деформаций свыше 10 м (табл. 1, 2) к составлению программы рекомендуется

привлекать специализированную или территориальную изыскательскую организации.

Сбор, анализ и обобщение материалов изысканий прошлых лет и других сведений об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях района (исследуемой и прилегающей территории), должен включать материалы и данные:

· об особенностях геолого-тектонического строения, геоморфологических и гидрогеологических условий, определяющих образование и развитие карста, в том числе о типе карстующихся пород (типе карста), условиях их залегания и распространения, глубине зоны активного развития карста, литологическом составе, водопроницаемости и мощности покрывающих пород, наличии глубоких эрозионных врезов, гидродинамических и гидрохимических условиях, поверхностных и подземных проявлениях карста (виды, морфология и морфометрия карстовых форм, их возраст);

· по истории геологического развития территории, анализу палеогеографических данных и установлению стратиграфических перерывов в осадконакоплении, с которыми могут быть связаны периоды интенсивного карстообразования;

· о наличии деформаций существующих зданий и сооружений, вызванных развитием карстовых процессов;

· о факторах техногенного воздействия на развитие карстового процесса: загрязнении атмосферного воздуха выбросами промпредприятий, вызывающими повышенную кислотность и агрессивность атмосферных осадков, утечках из водонесущих коммуникаций, изменении химического состава, агрессивности и температуры поверхностных и подземных вод за счет промстоков, водопонижениях при разработке и добыче полезных ископаемых и осушении земель, эксплуатации водозаборов поверхностных и подземных вод, подтоплении при орошении земель, проходке котлованов и траншей, нарушении поверхностного стока, а также о динамических нагрузках, создаваемых действующими предприятиями.

При сборе материалов следует использовать данные по хорошо изученным, преимущественно прилегающим к исследуемому, районам-аналогам — площадям развития карста в сходных инженерно-геологических и ландшафтно-климатических условиях, а также в условиях воздействия аналогичных техногенных факторов, что может быть использовано для прогнозной оценки карстоопасности.

По результатам обобщения собранных материалов рекомендуется составлять предварительные схематические карты распространения карстующихся пород и карстовых проявлений с выделением на них сильнозакарстованных участков.

Дешифрирование аэро- и космоматериалов и аэровизуальные наблюдения должны быть направлены на выявление и картирование карстопроявлений на земной поверхности и установление их взаимосвязи с геолого-геоморфологическими, тектоническими, гидрогеологическими и другими условиями развития карстового процесса. Космоснимки рекомендуется использовать для изучения природной обстановки, включая рельеф, водные объекты, геолого-тектонические структуры, наличие карстовых форм, степень и характер инженерного освоения территории. При предварительном дешифрировании рекомендуется использовать наиболее доступные черно-белые снимки с большой полосой обзора. При полевом дешифрировании следует использовать средне- и крупномасштабные аэрофотоснимки залетов разных лет и сезонов года, позволяющие выявить сглаженные и вновь возникшие карстовые формы.

Дополнительно следует использовать многозональные, спектрозональные и другие типы АКС, на которых более четко видны изменения растительного покрова, позволяющие выявить карстовые формы на залесенных участках территории.

Дешифрирование целесообразно дополнять аэровизуальными наблюдениями, в том числе в плановом и перспективном ракурсах.

Все отдешифрированные проявления карста должны быть обследованы при проведении маршрутных наблюдений.

Маршрутные наблюдения должны включать карстологическое обследование местности, в ходе которого необходимо устанавливать:

· проявления карста на земной поверхности — наличие карстовых провалов и оседаний земной поверхности, воронок, карстово-эрозионных котловин, оврагов, долин, польев, мульд оседания, карстовых рвов, карстовых останцов, поноров, карров, ниш, полостей и пещер, обнажений карстующихся пород;

· наличие гидрологических и гидрогеологических проявлений карста — карстовых источников, очагов поглощения поверхностных вод, карстовых озер, заболоченностей, очагов разгрузки карстовых вод в руслах рек и озер;

· приуроченность карстопроявлений к определенным геолого-тектоническим, гидрогеологическим и геоморфологическим условиям;

· связанные с карстом деформации зданий и сооружений, опыт применения и эффективность противокарстовых мероприятий;

· наличие функционирующих водозаборов, водонесущих коммуникаций, гидротехнических сооружений, оказывающих влияние на интенсивность развития карста, предприятий с мокрым технологическим процессом;

· сооружений инженерной защиты (дренажей и т.п.).

Геофизические методы исследований следует выполнять в соответствии с п. 5.7 и приложением Д СП 11-105-97 (часть I). В районах развития карста геофизические методы используются для решения следующих основных задач:

· установление мощности, состава и условий залегания покрывающих и карстующихся пород, изучение погребенного карстового рельефа;

· определение глубины залегания уровня, направления и скорости движения трещинно-карстовых и надкарстовых вод, их минерализации, мест питания и разгрузки;

· определение степени закарстованности и разрушенности пород, установление зон разуплотнения, дробления и тектонических нарушений, зон разуплотнения дисперсных покрывающих пород и других аномальных зон;

· выявление карстовых полостей, определение их конфигурации и размеров (в случаях, когда отношение глубины залегания полости к ее диаметру не более 1-2 и по своим физическим характеристикам они достаточно контрастно выделяются среди окружающих пород).

Проходка горных выработок должна осуществляться в количествах, предусмотренных пп. 7.6 и 8.4 СП 11-105-97 (часть I). При этом, часть скважин из общего количества (в соответствии с табл. 5.4 и 5.5 настоящего свода правил) предусматривается для изучения карста на больших глубинах (более 20-30 м), нередко значительно превышающих величину сжимаемой зоны основания проектируемых зданий и сооружений.

Глубина всех скважин должна быть не менее указанной в пп. 8.5-8.7 СП 11-105-97 (часть I). При этом, скважины, предусмотренные для изучения карста на больших глубинах, следует проходить, как правило, на всю мощность закарстованной зоны с заглублением не менее, чем на 5 м в подстилающие или незакрстованные монолитные породы.

При мощности закарстованной зоны в толще растворимых пород (известняков, гипса и т.п.) более 5-10 м допускается её неполное вскрытие при соответствующем обосновании в программе работ.

В районах с покрывающей толщей, сложенной нерастворимыми преимущественно глинистыми водонепроницаемыми породами, необходимо изучать и оценивать степень их водопроницаемости и защитную способность в отношении проявления карста на земной поверхности. При мощности толщи, обеспечивающей защиту от возможности проявления карста на земной поверхности, допускается не вскрывать буровыми скважинами карстующиеся породы, ограничиваясь проверкой надежности защитного водоупора.

Размещение скважин должно осуществляться с учетом результатов маршрутных наблюдений и геофизических исследований.

Конструкция и технология проходки скважин должны обеспечивать максимальный выход керна покрывающих, карстующихся пород и заполнителя карстовых полостей. Шнековое и любые другие виды бурения, не гарантирующие получение керна, не допускаются.

В скальных породах рекомендуется применять колонковый способ бурения скважин, в нескальных — колонковое и ударное кольцевым забоем. В размываемых породах (в том числе соленосных толщах) следует осуществлять проходку скважин укороченными рейсами (до 0,5 м) с обратной циркуляцией или с продувкой воздухом и «всухую». В соляных и соленосных толщах в качестве промывочной жидкости следует применять рассолы.

При описании керна в буровых журналах необходимо приводить послойную характеристику трещиноватости, пустотности, проявлений закарстованности, заполнителя карстовых пустот, степени выветрелости и разрушенности породы, определять показатель сохранности породы, а также линейный и объемный коэффициенты закарстованности и кавернозности.

В процессе бурения необходимо фиксировать интервалы глубин провалов или быстрого погружения бурового снаряда, скорость чистого бурения и выход керна, интервалы различного поглощения промывочной жидкости, в том числе полного поглощения, а также наличие и характер газопроявлений.

При проходке скважин должны выполняться геофизические исследования (каротаж и при необходимости — межскважинное просвечивание), состав и методика которых должны устанавливаться в программе изысканий.

Полевые исследования грунтов методами статического, динамического и вибрационного зондирования, пенетрационно-каротажные и другие исследования следует использовать для решения следующих задач: выявления и оконтуривания в толще покрывающих пород ослабленных и разуплотненных зон, определения свойств грунтов, изучения рельефа кровли карстующихся пород при их залегании на доступной для зондирования глубине.

Определение прочностных и деформационных свойств покрывающих пород, залегающих в основании фундаментов проектируемых зданий и сооружений (методами испытаний грунтов штампом и на срез в горных выработках), как правило, должно выполняться отдельно на участках распространения грунтов, нарушенных проявлениями карста, и за их пределами, в ненарушенной зоне.

При гидрогеологических исследованияхследует устанавливать:

· распространение и условия залегания водоносных горизонтов в покрывающих, карстующихся и подстилающих отложениях, условия их питания, транзита и разгрузки, гидродинамическую и гидрохимическую зональность;

· взаимосвязь между водоносными горизонтами и поверхностными водами;

· влияние техногенных факторов на изменение гидрогеологических условий;

· режим подземных вод;

· химический состав и растворяющую способность поверхностных и подземных вод по отношению к карстующимся породам, температуру подземных вод;

· фильтрационные свойства карстующихся и покрывающих пород, в том числе в зонах повышенной проницаемости, с определением гидрогеологических параметров (коэффициентов фильтрации, водопроводимости, уровнепроводности, водоотдачи, удельного водопоглощения, избыточных напоров и градиентов вертикальной фильтрации), а также направления и скорости движения подземных вод.

Для решения этих задач следует выполнять полевые опытно-фильтрационные работы: откачки — пробные, экспресс-откачки, опытные одиночные и кустовые с несколькими лучами наблюдательных скважин, групповые и поинтервальные; нагнетания воды и воздуха в скважины; наливы воды в шурфы, а также индикаторные методы (химический, электрохимический, колориметрический, радиоиндикационный).

Стационарные наблюдения за условиями и динамикой развития карстовых процессов и их проявлений на земной поверхности и в толще карстующихся и покрывающих пород следует проводить, как правило, при изысканиях для проектирования крупных и сложных объектов (I уровня ответственности), а при необходимости и для объектов II уровня ответственности.

Комплекс стационарных наблюдений, как правило, включает: гидрогеологические наблюдения за режимом подземных вод; гидрометеорологические наблюдения за режимом поверхностных вод; геодезические наблюдения за оседаниями земной поверхности, изменениями морфометрических характеристик рельефа, провалами и деформациями зданий и сооружений.

Продолжительность гидрогеологических и гидрометеорологических наблюдений должна быть не менее гидрологического года.

При проведении наблюдений за режимом подземных и поверхностных вод рекомендуется использовать геофизические методы, в том числе резистивиметрию, позволяющую вести непрерывную регистрацию изменения минерализации по изменению удельного электрического сопротивления (УЭС) воды.

Режимные наблюдения следует осуществлять за каждым горизонтом карстовых вод, оказывающим влияние на условия строительства, и за каждым из горизонтов в покрывающих породах, а при необходимости и за водоносными горизонтами в подстилающих породах.

Лабораторные исследования должны включать определения состава, состояния и физико-механических свойств растворимых и нерастворимых пород, входящих в состав карстующейся и покрывающей толщи, включая изучение грунтов различной степени закарстованности и заполнителя карстовых полостей и трещин, установление химического состава поверхностных и подземных вод и их агрессивности к карстующимся породам.

При отборе проб поверхностных и подземных вод необходимо измерять их температуру и непосредственно в полевых условиях определять рН, содержание свободной СО₂ и других неустойчивых компонентов (НСО₃^-, СО₃^{2 -}, Fe²⁺, Fe³⁺, NO₂^-, NO₃^-). Остальные компоненты (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Cl^-, SO₄^2-, сухой остаток, SiO₂) рекомендуется определять в стационарной лаборатории. Так же следует определять прозрачность, наличие взвешенных веществ, выпадение осадка и изменение воды в сосуде со временем, цветность, запах, перманганатную окисляемость, а также прочие составляющие физических свойств и химического состава с учетом возможного техногенного загрязнения водоносных горизонтов.

Для карстующихся пород следует определять их минералого-петрографический и химический состав, в том числе общее содержание органических веществ, растворимость в воде (с учетом химического состава и температуры подземных вод) и коэффициент скорости растворения (при различных скоростях движения подземных вод). При этом должны использоваться общий количественный и спектральный анализ, водные и кислотные вытяжки, а также, при необходимости, термический, рентгеноструктурный, электронно-микроскопический и другие методы минералогического и химического анализа горных пород.

Для определения возраста карстовых форм и их заполнителя применяются минералого-петрографический, палеонтологический, радиоизотопный, палинологический, диатомовый и другие виды специальных анализов.

При необходимости установления количественных характеристик карстового процесса (оценки скорости растворения пород и развития карста во времени, выявления механизма карстовых деформаций, размеров карстовых провалов), оценки степени опасности обнаруженных карстовых полостей и др. (как правило, в особо сложных условиях и при проектировании ответственных зданий и сооружений), следует осуществлять экспериментальные лабораторные исследования с применением различных видов моделирования:

· химико-кинетического (растворение карстующихся пород, растворение стенок карстовой полости, растворение карбонатного цемента в крупнообломочных грунтах и т.п.);

· методом эквивалентных материалов (прогиб и растрескивание пород кровли карстовой полости, гравитационные смещения грунтовых масс в карстовую полость);

· физического гидрогеологического (гидродинамическое разрушение покрывающих пород над карстовыми полостями и трещинами);

· математического (моделирование карстово-суффозионных процессов и провалообразования на основе экспериментально установленных параметров).

Рекомендуется комплексное использование перечисленных методов в различных сочетаниях, а также в комбинации с другими методами физического моделирования.

Экспериментальные лабораторные исследования и моделирование должны проводиться по дополнительным программам, согласованным с заказчиком.

Прогноз развития карстового процесса (качественный и количественный) выполняется методом аналогий, экстраполяции, экспериментальными или расчетными методами, основанными на детерминированных и стохастических моделях. Прогнозные исследования включают:

· прогноз скорости растворения пород;

· временной прогноз (ожидаемый срок образования провала на данной площадке, вероятность образования провалов за заданный срок, скорость развития комплекса карстовых форм и т.п.);

· пространственный прогноз (ожидаемый участок образования провала, вероятность образования провала на заданном участке территории);

· ожидаемые размеры провалов на поверхности земли или в основании сооружений (их глубина, диаметры, конфигурация и т.п.).

Прогнозируемые параметры поверхностных карстовых проявлений следует определять расчетами, с использованием аналитических и (или) вероятностно-статистических методов, на основе анализа распределений ожидаемых карстовых провалов по величине их средних и максимальных диаметров и средней глубине, а также с использованием аналогий.

Скорость растворения большинства карстующихся пород известна, однако в некоторых случаях может потребоваться её уточнение лабораторными методами.

При инженерно-геологических изысканиях в районах развития карста с учетом этапа изысканий следует устанавливать и отражать в техническом отчете:

· распространение, характер и интенсивность развития карста, историю и закономерности его развития;

· геологические, гидрогеологические и геоморфологические условия развития карста, в том числе: наличие тектонических нарушений, древних долин, состав, физико-механические свойства, растворимость, трещиноватость горных пород (грунтов) и т.п.;

· районирование территории по условиям, характеру и степени развития карста;

· оценку связанных с карстом особенностей физико-механических свойств грунтов, наличия в них разуплотненных и разрушенных зон, особенностей гидрогеологических условий связанных с карстом;

· оценку устойчивости территории (площадки) относительно карстовых (и карстово-суффозионных) провалов и оседаний земной поверхности и слагающих ее грунтов;

· прогноз развития карста и связанных с ним суффозионных и провальных явлений в период строительства и эксплуатации объектов под влиянием естественных и техногенных факторов;

· рекомендации для обоснования противокарстовых мероприятий.