Геологические процессы, обусловленные действием поверхностных и подземных вод

К наиболее важным для строительства процессам такого рода относятся заболачивание, плывуны, суффозия, карст, просадки лессов.

Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, которые при вскрытии выработкой заплывают в нее, разжижаясь до состояния тяжелой вязкой жидкости. Прорывы плывунов в котлованы, другие выработки, тоннели часто приводят к тяжелым последствиям. Чаще всего плывунность проявляется в мелких, тонкозернистых песках; однако известны плывуны в крупных и гравелистых песках и даже в глинистых породах – супесях и суглинках.

Примеров осложнений в строительстве (вплоть до аварий), связанных с плывунами, можно привести много. Возможно, наиболее масштабный – это прорывы плывуна в тоннель на участке метро Лесная – Площадь Мужества, имевшие место еще при строительстве, а в 1995г имевшие следствием затопление тоннеля и прекращение движения на этом участке. Подразделяют на ложные (или псевдоплывуны) и истинные. В ложных плывунность проявляется только при значительных градиентах напора фильтрующей воды; преимущественно это различной крупности пески вплоть до гравия.

В соответствии с характером плывуна применяются мероприятия при его проходке. Для псевдоплывунов применяется осушение грунта – водоотлив или глубинное водопонижение. Для истинных плывунов это может не дать эффекта из-за их низкой водоотдачи. Для них применяется электроосушение (электроосмос), а наиболее радикальным способом проходки выработок в плывунах является замораживание грунта.

Суффозией называется процесс выноса частиц грунта движущимися подземными водами и проявления этого процесса. При длительной суффозии в грунте увеличивается пористость, образуются полости и каверны, возможно оседание поверхности с образованием суффозионных воронок. Суффозия часто возникает на склонах речных долин при спаде паводка, в откосах водохранилищ при сработке (резком понижении) уровня воды. При этом уровень грунтовых вод понижается медленнее уровня поверхностных вод. В результате уменьшается устойчивость склонов, так что могут активизироваться смещения и обрушения масс пород.

Суффозию следует отличать от подземного размыва, или эрозии, возникающей, например, при прорывах подземных водоводов и утечках из сетей водоснабжения и водоотведения.

Она представляет собой чисто механический процесс; иногда употребляется еще понятие «химическая суффозия», когда происходит растворение и вынос частиц породы или скрепляющего их цемента в растворенном виде. В объединенном виде эти два явления – растворение и вынос – называют выщелачиванием.

Меры по предупреждению суффозии – снижение градиентов напора и соответственно скорости фильтрации; тампонирование скважин и старых колодцев; устройство обратных фильтров (когда крупность засыпки возрастает в направлении движения воды) при откачках воды; снижение водопроницаемости грунта нагнетанием в него цементного или глинистого раствора.

Карст – совокупность геологических явлений, связанная с выщелачиванием, т.е. растворением и выносом в растворенном виде горных пород поверхностными и подземными водами. При залегании растворимых пород непосредственно с поверхности или неглубоко от нее карст резко проявляется в рельефе, образуя карры, карстовые воронки, слепые долины и т.д. Карры – это чередующиеся борозды и гребни, покрывающие поверхность карстующегося массива с амплитудой высот до 1 – 2м. Карстовые воронки – углубления округлого сечения, суживающиеся книзу; в дне воронки часто видна щель (понор), в которую стекают поверхностные воды. Диаметр воронок – до десятков метров, глубина обычно в 2-3 раза меньше диаметра. Иногда воронки имеют почти отвесные стенки и большую глубину, представляя собой естественные шахты. При слиянии нескольких близко расположенных воронок образуются слепые долины. Описанные формы относятся к поверхностному (открытому) карсту.

Процесс карста проявляется как в особых формах рельефа, так и в строении подземного пространства. В свою очередь, оба эти фактора определяют в районах развития карста особый режим поверхностных вод (например, исчезающие реки, озера) и подземных вод (высокие скорости движения, турбулентность).

Обратимся к главному из условий карста – растворимости пород. Как известно, наиболее растворимыми являются соли – каменная и калийная; среднерастворимыми - сульфатные (гипс и ангидрит) и труднорастворимыми карбонатные породы – известняки, доломиты, мел и др. с минералами кальцит и доломит. Однако по распространенности на первом месте карбонатный карст, за ним гипсовый, и на последнем месте соляной. Причин здесь несколько: большие распространенность и проницаемость карбонатных пород; галоидные породы обычно защищены с поверхности толщами слабопроницаемых пород; кроме того, они пластичны и поэтому нетрещиноваты.

При инженерно-геологических изысканиях в карстовых районах прежде всего устанавливаются современные проявления карста, открытого и подземного. Для исследования последнего широко применяют геофизические методы. Для сульфатного и тем более соляного карста обязательно устанавливается интенсивность развития карста с учетом всех влияющих факторов.

При карбонатном карсте, скорость которого небольшая, основное значение имеют существующие карстовые формы, которые должны быть установлены при изысканиях. Важное значение имеет характер трещиноватости, так как расположение систем трещин формирует фильтрационный поток и соответственно расположение карстовых полостей.

Обнаруженные в закарстованном массиве каверны, полости, пустоты, должны быть заполнены цементнопесчаным или цементноглинистым раствором или бетоном. Трещиноватость пород устраняется нагнетанием в скважины жидкого стекла (силикатизация) или цементного раствора (цементация). Предпринимаются меры по защите от поверхностных вод – планировка, дренаж и др. В гидротехническом строительстве необнаруженные при изысканиях карстовые полости не раз приводили к невозможности заполнения водохранилища на запланированный объем из-за больших утечек воды.