Инженерная геология
Инженерная геодинамика как научное направление, ее основное содержание и история развития. Горные породы как главный объект геологических исследований. Методы изучения трещиноватости горных пород. Инженерно-геологическая оценка пород зон выветривания.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | шпаргалка |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.05.2012 |
| Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Берегозащитные сооружения - устройство различных инж. сооружений в целях прекращения или существенного ослабления размыва волнами и течениями береговой отмели и основания надводного склона.
Удерживающие сооружения на склоне предназначаются для обеспечения стабильности склона или отдельных их частей возведением в зависимости от типа оползня различных конструкций и размеров:
1) подпорных стен, чаще бетонных или заанкерных;
2) буронабивных свай на всю мощность оползневого массива;
3) контрбанкетов в основании склона.
Повышение прочности оползневых масс:
1) методами технической мелиорации - электроосмос, обжиг и другие для водонасыщенных рыхлых глинистых и песчаных грунтов, образующих оползни-потоки и сплывы;
2) в зоне смещения путём заложения в скважинах в её пределах бетонных столбов (свай);
3) снижение влажности;
4) агролесомелиоративными методами - создание травяного покрова, посадки соответствующей густоты кустарниковой и древесной растительности, обладающей транспирирующей способностью.
Осушение оползневых массивов в целях повышения прочности пород, снижение действующих на них взвешивающего и гидродинамического давления от грунтовых и напорных вод путём:
1) организации стока поверхностных вод;
2) устройство подземных дренажей разных конструкций (галереи, горизонтальные и откосные скважины…).
Широко применяются дренажные подземные горизонтальные галереи с пробуренными из них скважинами фильтрами для лучшего перехвата пластовых и пластово-трещинных вод; откосные дренажи в местах сосредоточенных выходов подземных вод на склонах; система из горизонтальных и пологонаклонных осушительных скважин. Могут быть эффективны подземные дренажи с сифонным сбросом собранных вод.
Основные условия развития карста
Типизация карста
1. По составу карстующихся пород:
а-карбонатный
а1-известняковый
а2-доломитовый
а3-меловой
б - сульфатный
б1-гипсовый
б2-ангидритовый
в - галоидный (соляной)
г - силикатный
2. По строению разреза
голый
задернованный
перекрытый
покрытый
бронированный
3. Относительно кровли карстующихся пород:
поверхностный
глубинный
Условия развития процесса
1. Литологические
2. Пути движения воды в породе:
тектонические (выделение сколовых и отрывных нарушений)
литогенетические (диагенетические)
выветривания
3. Гидродинамические (гидродинамическая зональность)
4. Агрессивность (особенности формирования карбонатной агрессивности)
Под карстом следует понимать геологические процессы в основном химического взаимодействия растворимых горных пород и движущихся подземных и поверхностных вод, создающих характерные геологические явления, в виде:
1) подземных форм - разнообразных каверн, полостей, каналов и др.;
2) своеобразного рельефа - воронки, карры, замкнутые котловины, овраги, долины и др.;
3) особых континентальных субтерральных накоплений (остаточные, хемогенные, водно-механические и др.). Для развития карста необходимо сочетание следующих основных условий:
наличие растворимых пород - карбонатных, сульфатных и галлоидных, доступных для проникания в них поверхностных и подземных вод;
водопроницаемость карстующихся пород - трещинная, поровая и по разрывам, обусловливающая возможность в них движения вод;
движение подземных вод, интенсивность водообмена и вынос продуктов выщелачивания;
агрессивность, растворяющая способность поверхностных и подземных вод, обусловленная их химическим составом, температурой, присутствием газов (СО2, H2S и др.) и микроорганизмов.
На активизацию или замедление карстовых процессов влияют многочисленные природные и техногенные факторы, удельная роль которых в разных комплексах пород, структурах, гидрогеологических условиях и климатических зонах различна. Наибольший интерес представляют те компоненты среды и действующие факторы, которые так активизируют карстовые процессы, что возникает опасность для сооружений и затрудняется использование территории. К ним относятся:
1) неоднородность литологического строения и состава карстующихся пород, наличие в них нерастворимых слоев и примесей, текстурные особенности;
2) трещиноватость массива пород (литогенетическая, тектоническая, экзогенная и иная), ее интенсивность и пространственное распространение;
3) тектонические структуры - складчатые и особенно разрывные, определяющие пути движения основных потоков подземных вод;
4) новейшая геологическая история района, характер и интенсивность неотектонических движений, обусловливающих формирование рельефа и положение местных и региональных базисов дренирования подземных вод;
5) рельеф карстовых районов, наличие покрова четвертичных глинистых пород и растительности, влияющих на поверхностный, сток и инфильтрацию атмосферных осадков:
6) климатогидрологические факторы, отражающиеся на гидрогеологической обстановке карстующихся массивов пород;
7) техногенные факторы, разнообразные по характеру влияния, интенсивности и последствиям, изменяющие уровни и режим подземных вод, их состав, агрессивность и водообмен.
Гидродинамические зоны карста в отложениях платформенных областей; влияние тектонических нарушений и литолого-фациальной изменчивости пород
Гидродинамическая зональность карста важна для понимания истории его формирования, для оценки степени и распространения закарстованности массива и скорости процессов.
Гидродинамическая зональность карста прослеживается в вертикальном и горизонтальном направлениях, обусловленная рельефом, литологическим разрезом массива пород и положением базиса дренирования карстовых вод. В общем случае в однородном по литологии и водопроницаемости карстующемся массиве равнинно-платформенных областей выделяются гидродинамические зоны.
Вертикальные (по Д.С. Соколову):
1 - аэрации; II - сезонных колебаний; III - полного водонасыщения с обособлением подзоны д непосредственной разгрузки у дренирующего водотока; IV - глубокого обычно замедленного движения подземных вод.
Горизонтальные (по А.Г. Лыкошину): А - присклоновую; Б - придолинную и В - приводораздельную. Указанная схема гидродинамической зональности развития карста относится к постоянному уровню дренирования подземных вод; если он изменяется, например при эрозионном врезе из-за тектонического поднятия карстующегося массива, то это влечет формирование новой зональности, обычно наложенной на предыдущую.
Аналогично будет происходить перемещение (относительное поднятие) гидродинамических зон при опускании массива пород.
Интенсивность карстовых процессов неодинакова в разных зонах, что обусловлено различным водообменом в них и растворяющей способностью подземных вод, изменяющейся на путях движения. Наиболее энергично карстовые процессы происходят в зонах: сезонных колебаний уровня подземных вод, в которые периодически и глубоко в массив проникают маломинерализованные воды реки или водохранилища, где за время низких уровней накопились различные более растворимые продукты выветривания; присклоновой, в которой большие градиенты и скорости инфильтрации определяют интенсивный обмен ненасыщенных солями вод; непосредственной разгрузки под или вблизи дренирующего русла в том случае, если подземные воды на пути к нему не потеряли растворяющей способности. На степень закарстованности разных зон конкретного массива растворимых пород помимо агрессивности воды и интенсивности водообмена влияет продолжительность процесса. Наиболее полно гидродинамическая зональность проявляется в зрелую стадию развития карста.
Существенное усложнение в рассмотренную схему гидродинамической зональности карста вносят тектонические нарушения (разломы, крупные трещины и др.), которые могут быть как дренами, так и зонами разгрузки напорных вод. Для многих рек Восточно-Европейской и Сибирской платформ в области распространения гипсо-карбонатных толщ типичным является разгрузка в руслах высоконапорных подземных вод по тектоническим разрывам, которая приводит к повышенной закарстованности, а при больших градиентах, к суффозионным выносам и сдвижениям пород. Сосредоточенный восходящий поток напорных вод по разлому формирует вначале, при высоком положении рельефа, карстовую пустотность, а затем, вследствие эрозионного снижения поверхности земли и увеличения скоростей движения вод, начинается вынос песков из нижнего слоя, в конечном итоге приводящий к образованию мульды сдвижения.
Важное значение в развитии закономерности имеют часто встречающиеся отдельные маломощные (1-3 м) прослои труднорастворимых глинистых известняков, мергелей или глин, иногда линзообразного залегания. Таким примером являются девонские отложения в районе Витебских порогов на Зап. Двине. Обстоятельная разведка, опытно-фильтрационные и другие работы на нескольких возможных створах плотины установили, что под ледниковыми отложениями в 80-метровой толще девонских доломитов под руслом реки залегает 3-4-метровый прослой мергелей, выше и ниже которого степень закарстованности резко различна, о чем можно судить по величинам удельных водопоглощений qH и коэффициентам фильтрации Кф.
Влияние тектонической нарушенности наиболее заметно в гидродинамических зонах карста горно-складчатых областей. Среди факторов, определяющих гидродинамическую зональность в горно-складчатых областях по сравнению с платформенными, структурно-тектонические приобретают решающую роль - разломы с зонами дробления, расчлененность рельефа, интенсивность новейших движений и др. В этих областях поверхностный сток обычно преобладает над фильтрацией. Подземные воды характеризуются большими градиентами и скоростями, преобладают вертикальные пути движения, приуроченные в основном к зонам тектонических нарушений, где породы раздроблены, более растворимы и водопроницаемы.
Энергичная эрозия в глубину, обусловленная интенсивными тектоническими поднятиями, создает условия, в которых даже в относительно растворимых породах не успевает сформироваться гидродинамическая зональность к базису стока и, следовательно, массивы пород закарстованы локально главным образом по разломам и с поверхности, в зоне разгрузки и выветривания. Для горных областей типична большая, чем на платформах, вертикальная зональность (этажность) карста, и нередко высокая степень закарстованности массива в пределах древних поверхностей, например плиоценмиоценовых, что обусловлено-длительностью действия процессов (фактор времени), более теплым климатом и водностью.
Оценка закарстованности территорий
Карстующиеся породы - карбонатные, сульфатные и соляные, широко распространены в осадочном чехле земной коры во всех системах, начиная с кембрийской. На всех континентах Земли карбонатные породы занимают площадь 40 млн. км2, гипсы - около 7 млн. км2 и соли - до 4 млн. км2; в России обнаженные и погребенные карбонатные отложения составляют 40% территории, а в отдельных регионах больше. Карбонатный, гипсовый и соляной карст древний и молодой встречается практически повсеместно, где развиты соответствующие отложения, и прослеживается до глубины 300-400 м, как на платформах, где чаще связан с погребенными речными долинами, так и в складчатых областях. Классическими районами развития карбонатного карста на европейской части России являются: южный склон Балтийского щита, Польско-Литовская синеклиза, крылья Московской синеклизы, Волго-Уральский свод, Жигулевское поднятие, локальные структуры (валы, антиклинали), Донбасс и другие, а также альпийские складчатые области юга - Кавказ, Крым, предкарпатский прогиб.
Одной из важных задач инженерно-геологического изучения карста является характеристика скорости процессов, в зависимости от которой устанавливается их опасность, дается оценка степени закарстованности массива пород и устойчивости применительно к разным сооружениям и использованию территории и пещер. Имеется несколько предложений по этому вопросу.
Н.В. Родионов рекомендует оценивать скорость карстовых процессов крупных территорий показателем современной активности карста Ак, представляющего отношение количества растворимого вещества в процентах к общему объему карстующегося массива пород за тысячелетие. Количество растворимых пород устанавливается по данным режимных наблюдений по суммарной минерализации вод родников и водоносного горизонта в оцениваемом массиве. Следует иметь в виду, что определить водный баланс карстующегося массива трудно, что полученные величины Ак характеризуют только ограниченные годы наблюдений, а распространяются они на тысячелетия и что нет оснований считать неизменной интенсивность процессов в предшествующие эпохи.
Многие исследователи - 3.А. Макеев, Г.А. Максимович (1963), И.А. Саваренский (1962), К.А. Горбунова (1979) и другие характеризуют степень устойчивости территории по показателю N-появления новых карстовых воронок (по их числу, суммарной площади или объему) за год на площади 1 км2. Следовательно, чем больше возникает воронок и чем больше их общая площадь или объем, тем интенсивнее.
Более объективным является предложение по оценке скорости современных карстовых процессов и затем степени их опасности, если они основываются на данных о водном балансе в соответствии с реально сложившейся гидродинамической зональностью, т.е. интенсивностью водообмена различных частей карстующегося массива, на величинах и составе минерализации подземных вод по сезонам года для тех же гидродинамических зон. Для применения гидродинамического метода оценки современного карста требуется детальная разведка и фильтрационное опробование для выявления величины и распространения закарстованности массива, режимные наблюдения за уровнями и химизмом вод в разных зонах, гидролого-химические измерения на поверхностных водотоках и эксперименты на моделях для проверки гипотезы о гидродинамической зональности. Этот метод можно использовать для прогноза интенсивности карстовых процессов с учетом техногенных факторов, например при изменении минерализации и агрессивности вод по отношению к карстующимся породам, увеличение растворимости которых следует оценить лабораторными опытами. Данные о гидродинамических зонах массива, о распределении закарстованности, величинах водообмена и растворении пород в каждой зоне необходимо сопоставить с карстопроявлениями на поверхности в пределах отдельных геоморфологических элементов, которым чаще соответствуют и различия в геологическом строении. На основе такого анализа представляется возможным приближенно-количественно оценить по нескольким, лучше по трем категориям, потенциальную карстовую неустойчивость и стабильность разных частей массива пород (или территории).
В последние годы появились работы, в которых рассматриваются возможность и эффективность применения вероятностно-статистических методов к оценке и прогнозу карстовых процессов (Толмачев, 1980). Предполагается, что интенсивность карстовых провалов пропорциональна плотности воронок и их размерам. С помощью коэффициентов связи по теории качественных признаков устанавливается влияние независимых между собой факторов, например глубины залегания карстующихся пород, мощности глин над ними и других с оценкой значимости, каждого на количество провалов как более опасному результату карстовых процессов. Чем больше учитывается факторов, тем кривая связи ближе к нормальному распределению. При использовании ВСМ. для оценки карста необходимо учитывать:
1) что многие факторы карстообразования взаимообусловлены, имеют прямые и обратные связи, а не "независимы";
2) что карст - непрерывно развивающийся процесс, вследствие которого изменяется общая закарстованность массива, движение, режим и агрессивность подземных вод;
3) подготовка к провалу обычно длится значительное, возможно, даже геологическое время;
4) что на древнюю закарстованность накладываются современные процессы и нет стационарности в их развитии, а провалы свидетельствуют о качественных изменениях;
5) квазиоднородность геологического строения и гидрогеологических условий территории, где произошли карстовые провалы, и оцениваемой.
Вероятностно-статистический метод практически исключает возможность оценки и прогноза карста и его опасности под влиянием техногенных факторов, изменяющих режим и химизм подземных вод, гидродинамическую зональность и другие, из-за отсутствия аналогов. При использовании ВСМ оценки и прогноза карста опасен формальный подход, применение расчетных приемов без обоснованной схемы сущности процесса, т.е. детерминированной модели, без учета временных изменений среды и действующих факторов. Поэтому по ВСМ карстовые процессы возможно оценивать приближенно, на уровне региональных прогнозов, когда имеются данные о стационарности процесса и однородности среды их развития.
Инженерно-геологическое изучение карста и меры борьбы с ним
Система инженерных и иных мероприятий по обеспечению защиты существующих и проектируемых различных наземных и подземных сооружений на закарстованных территориях или внутри массива пород по своему содержанию и назначению различны и подразделяются:
1) для районов распространения карбонатного карста, обычно характеризующегося слабой и не опасной современной активностью, обоснованием мероприятий являются данные о характере, степени и пространственной закарстованности массива пород;
2) для районов активного современного карста в гипсах и солях, где вероятны и часты подземные обрушения и провалы на поверхности земли из-за большой закарстованности и ее вероятного значительного увеличения;
3) для направленных на предотвращение или существенное снижение скорости карстовых процессов до величин, безопасных для сооружений и территории, возникших под воздействием техногенных факторов.
Характер и объем противокарстовых мероприятий зависит от конкретных инженерно-геологических условий территории и различны для промышленно-городских зданий, авто- и железных дорог, гидротехнических, подземных сооружений и др. В практике проектирования и строительства в карстовых районах применяются защитные мероприятия.
1. Организация стока поверхностных вод (дождевых, талых, хозяйственных), предусматривающая практически полный их перехват системой канав, ливневодов, покрытий, тампонированием карстовых воронок и рвов, исключающая поступление агрессивных вод в карстующуюся толщу. Это обязательное мероприятие осуществляется обычно на большой площади, требует тщательности выполнения и эксплуатации.
2. Дренаж агрессивных подземных вод в целях недопущения их в толщу пород под защищаемыми сооружениями или освоенной территорией, иногда в сочетании с искусственным засолением для уменьшения растворяющей способности вод. Расположение, конструктивные решения и эффективность дренажной системы требует из-за сложности обстоятельного гидрогеологического обоснования данными разнообразных натурных и экспериментальных исследований.
3. Заполнение (тампонирование) карстовых полостей и трещин песком, мелким щебнем и цементным раствором с помощью засыпки и нагнетания, для поддержания свода пещеры и предотвращения его обрушения на участке расположения сооружения. При осуществлении этого мероприятия нет уверенности, что все и полностью крупные полости будут так плотно затампонированы, что исключаются деформации пород в сводах. Кроме того, при заполнении полостей слабофильтрующим материалом возможно формирование новых путей движения подземных вод и активизация карста в прилегающих толщах растворимых пород. Требуется детальный анализ эффективности данного мероприятия как временного, так и постоянного действия.
4. Создание в кровле закарстованной толщи или в основании вышележащих пород искусственно закрепленного слоя соответствующей толщины и протяженности, являющегося своеобразным перекрытием, воспринимающим нагрузку от сооружения и предохраняющего от распространения вверх зоны сдвижения в случае обрушения свода крупной карстовой полости и не нарушающего сложившихся путей движения подземных вод. Во многих случаях при благоприятном геологическом разрезе участка данное мероприятие эффективно для стабилизации полотна авто - и железных дорог, отдельных зданий, опор и др.
При невозможности тем или иным способом укрепить закарстован-ный массив в основании сооружений следует предусмотреть особые виды их фундаментов и конструкций, мало деформирующихся при возникновении провалов. Такие фундаменты могут быть в виде опор глубокого заложения, ниже зоны сильной закарстованности, где возможны обрушения, а также фундаменты из свай-стоек, из (висячих свай и др.).
Ответственной и сложной проблемой является оценка закарстованности массива, скорости процессов, их опасности и выбор защитных мероприятий при возведении высоких плотин. Из многочисленных случаев создания плотин и водохранилищ, когда возникает фильтрационный поток с большими расходами, важный не только с позиций потерь воды, но опасный для устойчивости сооружений, в связи с образованием суффозионных и других процессов.
Методы борьбы с карстовыми процессами в соляных толщах более сложные из-за легкой растворимости этих пород. Одним из методов, применяемых при открытой разработке соляных месторождений, является создание гидрозавес различных типов. Верхнюю часть пресных грунтовых вод дренируют кольцевой траншеей или галереей и сбрасывают "на сторону", за пределы влияния карьера. Нижнюю часть надсолевого потока грунтовых вод перекрывают из траншеи непроницаемой продольной перемычкой (стенкой) и подпитывают его рассолами, выкачиваемыми из карьера, чем предотвращается растворение соляного пласта. При ином гидрогеологическом строении, при подземной разработке солей или в случае предотвращения возможности выщелачивания и карста в соляной пачке или купола создается другая система гидрозавес, в том числе путем искусственного насыщения подземных вод рассолами, делающими их неагрессивными.
Вопросы методики исследования карста. Методика изучения карста в инженерно-геологических целях основывается на следующих положениях.
1. Закономерности, интенсивность, степень и распространение современной закарстованности существенно различны в карбонатных, меловых, гипсовых и соляных толщах. Развитие карстовых процессов в прошедшие геологические и современную эпоху возможно при сочетании четырех основных условий. На карстовые процессы большое влияние оказывают: фациально-литологическая изменчивость пород, их растворимость, наличие глинистых прослоев, трещиноватость, складчатые и разрывные структуры, геологическая история развития, гидродинамические зоны с различным режимом подземных вод и балансом в каждой из них.
2. Комплексные гидрогеологические и инженерно-геологические исследования должны установить региональные и локальные (в конкретном массиве пород и в каждую эпоху) закономерности карста, основные и способствующие природные и техногенные факторы по возможности в приближенно-количественной и временной форме. Изучение гидрогеологических факторов и скорости развития карста - наиболее важный раздел исследований.
3. По материалам комплексных исследований оценивается степень v. распространение закарстованности массива пород, на основе которых определяются опасность карста и система укрепительных и защитных мероприятий, а также конструкции и типы фундаментов сооружений.
4. Задачи, содержание, виды и объемы натурных, экспериментальных и других исследований зависят от особенностей геологического строения и гидрогеологических условий массива карстующихся пород, зональности и интенсивности карста и определяются назначением исследований - региональное изучение, промышленно-городское, транспортное, гидротехническое, подземное строительство (включая шахтное) и другое, а также стадией изысканий. Как правило, основные вопросы исследований сохраняются на всех этапах, но изменяется их детальность, а следовательно виды, методы и объемы работ, технология их выполнения.
На начальном этапе изысканий для обоснования схем намеченного строительства, освоения и защиты территории или при региональных исследованиях ведущими запросами являются выявление общих геологических и гидрогеологических, в том числе палеогидрогеологических закономерностей карста, его приуроченность к стратиграфо-литологическим комплексам и структурам пород, характер и степень их закарстованности, а также черты истории формирования карста. На этом этапе основным методом изучения является специализированная геологическая съемка, начало режимных наблюдений и обобщаются имеющиеся данные: по современному карстопроявлению; по водоотливам при проходке и эксплуатации открытых и подземных выемок; по происшедшим обрушениям; по расходам и минерализации вод ручьев и рек, указывающих на поступление карстовых или на поглощение поверхностных вод. Основные этапы геологической истории развития карста в древние эпохи и в новейшее время в увязке с характером и интенсивностью тектонических движений - важный вопрос исследований на данной стадии. Геофизическими работами выявляются области повышенной закарстованности и обосновываются места заложения разведочных выработок и участков режимных наблюдений. Бурение скважин осуществляется в ограниченном объеме и обычно предназначается для создания стационарной сети пьезометров в сочетании с родниками за изучением уровенного режима и химизма подземных вод на типичных полигонах.
Детальные инженерно-геологические исследования в карстовых районах являются целенаправленными, их виды, объемы и методы для городского, дорожного и гидротехнического (плотины, водохранилища, каналы) строительства должны быть различными. Обычно детальные исследования, в результате которых дается оценка современной закарстованности территории и массивов пород и прогноз карстовых процессов, т.е. степени их опасности, проводятся в две стадии. На первой, на основании гидрогеологических и инженерно-геологических материалов, дается предварительная оценка устойчивости территории и ориентировочный прогноз карста для решения главных задач - технической возможности и экономической целесообразности намеченного строительства или использования территории для обоснования комплекса принципиальных мер защиты и выбора безопасных конструкций сооружений. Или из-за значительной закарстованности и интенсивности процессов обосновать отказ от намеченной территории и перенос объектов на другие, более устойчивые площади, менее опасные по последствиям.
На второй детальной стадии окончательного изучения карста в инженерно-геологических целях, предполагающей разработку проекта защиты основной задачей, является обоснование решений о конструкциях новых сооружений, типе и глубине заложения их фундаментов на выбранных участках или о конкретных защитных мероприятиях для существующих объектов, например полотна железной дороги или характера и глубины противо-фильтрационной завесы, дренажных систем и укрепительной цементации в основании плотины. Одновременно уточняются задачи, места и виды режимных инструментальных наблюдений за гидрологическими, гидрогеологическими и иными факторами развития карста, за происходящими в периоды строительства и эксплуатации внешне незаметными деформациями сооружений и пород в их основании.
При изучении закарстованности территории и массивов пород и процессов карстообразования наряду со специализированной геологической съемкой - ведущим методом работ на начальной и первой детальной стадиях изысканий, большее применение и значение приобретают различные опытные гидрогеологические и геофизические работы, режимные наблюдения, объемы которых совместно с бурением, возрастают по мере увеличения детальности исследований. Существенна роль наблюдений за уровенным и химическим режимами поверхностных и подземных вод, за действием техногенных факторов, в первую очередь за откачками природных вод и за поступлением агрессивных технических вод в карстующийся массив для выявления гидродинамических зон, интенсивности растворения пород и составления водного баланса.
Суффозия
Суффозия - это один из видов фильтрационного разрушения обломочных пород или заполнителя' трещин и полостей в скальных и полускальных породах. Основными действующими силами, вызывающими развитие суффозии, являются либо большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает частицы, размывает породы, либо возникающее гидродинамическое давление в фильтрационном потоке. Если гидродинамическое давление велико, оно может при соответствующих условиях привести в движение всю массу породы, т.е. привести ее в плывунное состояние. Если оно мало, то в движение приходят только более мелкие частицы, находящиеся в составе породы.
Реализация действия фильтрационного потока подземных вод на породу, которое проявляется в нарушении ее фильтрационной устойчивости, в подземном размыве (в развитии суффозии) возможна при следующих условиях:
определенной неоднородности породы, при которой возможно передвижение более мелких частиц среди более крупных и их вынос;
определенных градиентах потока, вызывающих образование повышенных скоростей фильтрации воды или определенной величины гидродинамического давления в породе;
наличии области выноса, разгрузки породы от мелких частиц, т.е. при выходе пород на поверхность, вскрытии их котлованами, выемками, карьерами, подземными выработками, дренажами или при соприкосновении - контактировании с породами более водопроницаемыми, скважность которых больше, способными поглощать мелкие частицы, выносимые потоком из пород, подверженных размыву. Сочетание этих условий определяет нарушение внутреннего равновесия в породе и неизбежность развития суффозии.
в зависимости от геологической обстановки суффозия может развиваться в определенном слое или толще неоднородных по гранулометрическому составу пород; 'на контакте двух слоев, различающихся по составу; в неоднородном по составу заполнителе трещин и карстовых полостей; на контакте породы с заполнителем фильтров, дренажей и других искусственных присыпок и засыпок.
суффозия развивается преимущественно в породах, у которых коэффициент неоднородности гранулометрического состава больше 20, а гидравлический градиент больше 5. при оценке и прогнозе развития этого процесса одни исследователи отдают предпочтение определению скоростей фильтрации потока - размывающих скоростей, другие - определению величины градиентов потока, в зависимости от которых находится величина гидродинамического давления
Dгд = 1ув
Для определения начальной скорости потока (м/сек), при которой начинается суффозия, нередко пользуются формулой:
н= /15
При наличии двух смежных слоев разного гранулометрического состава скорость выноса частиц из слоя, сложенного более мелкозернистыми песками, определяется по формулам:
vp=v0+f (d2/D2)
где v0 - скорость потока, при которой преодолевается вес частицы; d и D - средние диаметры частиц двух слоев.
скорость выноса частиц из размывающегося слоя зависит от соотношения контролирующих диаметров частиц двух смежных слоев и выражается формулой
vp=0,2d260 (1+100 d260/D260)
где d6Q и. D60 - контролирующий диаметр частиц, мм.
Терцаги, рассматривая фильтрационную устойчивость песков, показал, что их разрушение восходящим фильтрационным потоком возможно при градиенте:
Ip= (гM-1) (1-n)
где гM - плотность минеральной части песка (удельный вес), г/см3; п - пористость песка, %. Для таких же условий фильтрационного потока фильтрационное разрушение неоднородных песчаных пород происходит при градиентах
Ip= (гM-1) (1-n) +0,5n.
чем больше неоднородность породы, тем при меньших градиентах начинается суффозия.
Для обоснования _проектирования_ и строительства различных сооружений при прогнозе развития_суффозии необходимо оценивать а) __неоднородность гранулометрического состава пород, вызывающих сомнение в их фильтрационной устойчивости; б) возможные гидравлические условия фильтрационного потока, его скорости и градиенты; в) наличие условий для выноса мелких частиц, т.е. условий для разгрузки размываемых пород от мелких частиц под воздействием фильтрационного потока. При этом необходимо обращать внимание на геоморфологические условия выхода водоносных горизонтов на поверхность, вскрытия их котлованами, подземными выработками, дренажами и др.
Для предупреждения суффозии наиболее часто применяют такие меры, которые оказывают влияние на уменьшение градиентов и скоростей фильтрационного потока. Поэтому снижают уровни подземных вод дренажами в опасных участках; с целью уменьшения градиентов потока устраивают шпунтовые ограждения и противофильтрационные завесы для увеличения длины пути фильтрации потока или полного ограждения от него защищаемого участка. Для уменьшения выходных градиентов и скоростей подземного потока в зоне его разгрузки часто устраивают обратные фильтры, т.е. отсыпку водопроницаемых пород слоями в порядке постепенного возрастания размера частиц от мелких к крупным в направлении фильтрационного потока.
ЭГП - система необратимых дискретных изменений состава и строения приповерхностной части ГС, точнее, отдельных наименее устойчивых ее элементов (объектов ЭГП), в результате энергомассообмена в зоне контакта литосферы с атмосферой и гидросферой:
1) изменения физических полей;
2) изменения, связанные с формами проявления ЭГП, что приводит к преобразованию двух компонентов ГС - пород и рельефа.
Режим ЭГП
Последовательность, повторяемость, продолжительность и масштабы (величина) изменений ГС. Характер изменения активности во времени на различных масштабных уровнях.
Режим:
· Распределение в геологическом пространстве.
· Дискретность проявления во времени
· Автономность, независимость друг от друга, даже в пределах одного комплекса
· Эргодичность (в течении времени они становятся независимыми от начальных условий)
· Неравномерность распространения в геологическом пространстве
· Отсутствие инерционности
· Сложный характер зависимости ЭГП режима от факторов
· Механизм влияния факторов:
1. строго определенный
2. субординация факторов
3. величины критических значений всех факторов
Структура режима ЭГП:
Субрегиональный - изучает группы форм проявления процесса, развивающегося в пределах геологического тела. Характеризует развитие процесса в пределах однородных геологич. условий. Более сложный, отличается от элементарного и локального
Локальный - характеризует отдельную форму проявления процесса (отдельный оползень) Однородные геолог. условия.
Элементарный - отдельная часть формы проявления процесса
Региональный - это режим большой по площади территории., с различными геологическими условиями, различными генетическими разновидностями изучаемого процесса.
Непрерывный - непрерывность данных с автоматической записью
Суточный - данные получают 1 раз в сутки
Месячный - наблюдения 1 раз в месяц
Сезонный - по количеству опасных процессов в сезоне
Активность ЭГП
Величина изменений ГС второй группы, отнесенная к единице времени.
Интенсивность
Суммарная, накопленная величина изменений ГС.
Наблюдательная сеть для изучения режима ЭГП
Важным обстоятельством при изучении режима ЭГП, в частности, размещении наблюдательных сетей, являются закономерности их распространения, локализация в геологическом пространстве. С этой точки зрения все ЭГП можно разделить на две группы. Первая группа - это пространственно-детерминированные процессы - абразия, речная эрозия, сели, связанные с определенными формами рельефа на границе литосферы и поверхностной гидросферы. Ко второй относятся оползни и овражная эрозия, распространение которых подчиняется вероятностным законам.
Управление экзогенными геологическими процессами (ЭГП) - состав и этапы работ, цели, задачи и конечные результаты
1. Региональные исследования и картографирование.
Цель - выявление распространения и условий развития ЭГП, оценка поражённости территории и подвержености населённых пунктов и хозяйственных объектов воздействию ЭГП, определение зон поражения, потенциально опасных участков и территорий
1.1 Дешифрование АКФС, анализ геологических, геоморфологических, инженерно-геологических карт и материалов.
1.2 Государственная комплексная гидро-геологическая и инженерно-геологическая съёмка масштаба
1: 200 000
1.3 Специальное инженерно-геологическое обследование территории масштаба
1: 200 000 - 1: 500 000
1.4 Районирование территории по интенсивности проявления ЭГП
1.5 Районирование территории по составу и режиму основных факторов ЭГП
1.6. Предварительная оценка активности и масштабов проявления ЭГП по имеющимся данным
1.7 Составление карт опасности ЭГП масштабов 1: 200 000, 1: 500 000,1: 1 000 000
Результаты
Карта распространения и условий развития ЭГП масштаба 1: 200 000 - 1: 500 000
Карта пораженности территории ЭГП (интенсивности проявления ЭГП) масштаба 1: 200 000 - 1: 500 000
Карта подверженности населенных пунктов и хозяйственных объектов воздействию ЭГП масштаба 1: 500 000
2. Пространственный прогноз ЭГП
2.1 Расчёт устойчивости склонов
2.2 Составление прогнозных карт районирования по геодинамическому потенциалу
3 Организация и ведение мониторинга ЭГП
3.1 Выбор наблюдательных участков и сетей
3.2 Разработка программ режимных наблюдений
3.3 Оборудование наблюдательных сетей
3.4 Наблюдения за активностью проявления ЭГП
3.5 Составление краткосрочных и оперативных
Прогнозов
4. Составление прогнозов ЭГП
4.1 Выделение временных зон
4.2 Составление региональных долговременных прогнозов - 10-15 лет, масштаба 1: 500 000 - 1: 200 000
4.3 Составление региональных и локальных краткосрочных прогнозов - на год, на сезон.
Масштаб 1: 50 000 - 1: 200 000
4.4 Проверка и оценка оправдываемости прогнозов
Режимные наблюдения являются основой организации и ведения мониторинга ЭГП, используются для решения теоретических, методических и прикладных проблем инженерной геодинамики.
Исходя из общих требований, предъявляемых к мониторинговым системам, целей и задач мониторинга ЭГП, состава и характера объектов наблюдений, информация, получаемая при режимных наблюдениях, должна всесторонне и исчерпывающе, с необходимой полнотой и достоверностью характеризовать: - активность проявления (развития) ЭГП на любом уровне и с любой точностью, все составные компоненты активности проявления процессов - их динамику, скорость развития, энергию (мощность), силу воздействия и т.д.;
режим ЭГП, как всей контролируемой территории в целом, так и любых ее отдельных участков, элементов, объектов, форм проявления процесса;
режим ЭГП с любой заданной точностью, детальностью и частотой, в любом интервале времени, включая периоды массовой и катастрофической активизации ЭГП;
естественное и обусловленное техногенным воздействием развитие ЭГП;
активность проявления (режим) всех генетических разновидностей изучаемого процесса;
активность проявления ЭГП, связанную не только с развитием существующих, но и возникновением новых форм проявления ЭГП.
Кроме того, получаемая информация должна:
представлять собой систему количественных, хорошо фиксируемых (измеряемых) и анализируемых показателей и параметров, реализующих свойство эмерджентности режима ЭГП;
обеспечивать составление любых по срокам, масштабам и содержание прогнозов ЭГП, оценок экологического состояния территорий, пораженных ЭГП, предупреждение и оповещение о внезапных и катастрофических проявлениях ЭГП;
обеспечивать обмен информацией и сопряжение с другими подсистемами мониторинга ГС, различными внешними информационными системами;
быть экономически целесообразной.
Показатели активности проявления ЭГП при изучении режима ЭГП
Показатели первой группы - это картируемые и рассчитываемые линейные, площадные и объемные размеры форм проявления характеризуемого процесса, а также его составных элементов.
Показатели ЭГП второй группы наиболее унифицированы. Распространение или интенсивность проявления всех процессов характеризуется через пораженность территории этими процессами с помощью коэффициента пораженности. В зависимости от генетических особенностей проявления процесса используются три разновидности коэффициента пораженности: площадной, линейный и частотный.
Площадной коэффициент пораженности территории характеризуемым процессом представляет собой отношение суммарной площади всех форм к общей площади участка. Таким коэффициентом характеризуются оползни, обвалы, осыпи, заболачивание, наледи, карст и др.
Линейный коэффициент пораженности характеризует линейные процессы - абразию, сели, русловую и овражную эрозию и др. Он представляет собой отношение суммарной длины участков развития процесса к общей длине берега (абразия, русловая эрозия), водотоков (сели).
Частотный коэффициент представляет собой количество форм проявления процесса на единицу площади. Применяется реже, в ос ювном для процессов с одинаковыми размерами, формами проявления - карст, наледи и др.
Показатели ЭГП третьей группы получаются в результате повторных, в том числе постоянных, режимных наблюдений за объектами ЭГП, а также на основании сравнительного дешифрирования личных графических материалов (аэрокосмофотоснимков, топооснов, карт и др.) разного времени. Эти показатели характеризуют развитие (активность проявления) процесса на различных уровнях, 5условленное как дальнейшим развитием (активизацией) существующих форм проявления изучаемого процесса - увеличением их размеров, площади, объема, так и возникновением новых. Во многих случаях - это скорость протекания процесса - абразия, эрозия, карст, суффозия, заболачивание и др. При этом различают региональные, жальные и детальные показатели.
Основные понятия, характеризующие проявление ЭГП-активность, интенсивность, пораженность территории ЭГП
Активность ЭГП
Величина изменений ГС второй группы, отнесенная к единице времени.
Интенсивность
Суммарная, накопленная величина изменений ГС.
Активность может изменяться в течении времени от 0 и выше.
Интенсивность инерционный процесс м. б. изменена в результате: аномальных катастрофных изменений ЭГП, техногенное воздействие, хозяйственное освоение территорий.
В настоящее время в качестве количественного показателя оценки интенсивности проявления ЭГП используется пораженность территории процессом, которая оценивается площадным или линейным коэффициентом. Коэффициент пораженности является не только количественным показателем интенсивности проявления процесса, но и в интегральной форме характеризует взаимодействие всех факторов, степень их влияния на данный процесс. Площадной коэффициент пораженности представляет собой отношение площади, охваченной процессом, ко всей площади участка и подсчитывается для однородных по геоморфологическим и геологическим условиями территорий
Методы изучения режима ЭГП на участках первой категории-показатели, частота наблюдений
Показатели первой группы - это картируемые и рассчитываемые линейные, площадные и объемные размеры форм проявления характеризуемого процесса, а также его составных элементов.
Для оползней - это их измеряемые длина, ширина и мощность, на основании которых определяются их площадь и объем, характеризующие их опасность, степень возможного воздействия и масштабы угрозы различным объектам. К другим показателям относятся количество и размеры оползневых блоков или ступеней в пределах конкретного оползня, количество и размеры оползневых трещин (их длина, ширина и глубина) на оползне или оползневом склоне. К локальным показателям оползней этой группы следует отнести параметры оползневого склона - измеряемые длина, высота, крутизна, а также рассчитываемый коэффициент устойчивости склона. К расчетным показателям, характеризующим потенциальную опасность оползней, также относятся: величина (расстояния) возможного максимального смещения, скорость смещения, объем смещающихся оползневых накоплений, площадь и положение зоны поражения, величина ударного воздействия.
Обвалы - площадь, мощность и объем обвальных накоплений (коллювия), площадь и положение зоны поражения, объем потенциально опасных обвальных массивов.
Сели - параметры селевого конуса выноса - длина, максимальная ширина, площадь, объем; площадь и положение зоны поражения; длина и уклон селевого водотока; объем селеформирующего материала в очагах зарождения селевого водотока, его гранулометрический состав; максимальный размер обломков на конусе выноса.
Лавины - площадь, мощность, объем и дальность перемещения лавин.
Подтопление, затопление - положение и площадь зоны распространения процессов.
Просадки, набухание - положение и площадь зоны набухающих и просадочных грунтов, мощность просадочных и набухающих грунтов, коэффициенты набухания и относительной просадочности пород, размеры (диаметры) просадочных форм и форм, связанных с набуханием грунтов.
Абразия - параметры абразионного уступа (клифа) - длина (протяженность), высота, ширина пляжа на картируемом (характеризуемом) участке.
Карст - параметры карстовых форм - длина, ширина, глубина, площадь, объем, мощность перекрывающих пород, степень их заполнения.
Суффозия - положение и площадь зоны суффозии, размеры поверхностных и подземных суффозионных форм.
Оседание земной поверхности - положение и площадь зоны оседания, амплитуда оседания.
Наледи - размеры, площадь и объем наледей.
Русловая эрозия - параметры берегового уступа, формируемого русловым размывом - длина (протяженность), высота.
Овражная эрозия - параметры оврага - длина, ширина, глубина, объем, количество отвержков, расстояние вершины оврага до ближайшего (местного) водораздела, превышение дна оврага над местным базисом эрозии.
Выветривание - размеры линейной коры выветривания, мощность площадной коры выветривания; степень или коэффициент вы-ветрелости.
Осыпи - площадь, мощность и объем осыпей (осыпных шлейфов и конусов), расстояние, на которое перемещается осыпной материал.
Ледники - размеры (длина, ширина и мощность), площадь, объем, градиент (уклон).
Методы изучения режима ЭГП на участках второй категории-показатели, частота наблюдений
Показатели ЭГП второй группы наиболее унифицированы. Распространение или интенсивность проявления всех процессов характеризуется через пораженность территории этими процессами с помощью коэффициента пораженности. В зависимости от генетических особенностей проявления процесса используются три разновидности коэффициента пораженности: площадной, линейный и частотный.
Площадной коэффициент пораженности территории характеризуемым процессом представляет собой отношение суммарной площади всех форм к общей площади участка. Таким коэффициентом характеризуются оползни, обвалы, осыпи, заболачивание, наледи, карст и др.
Линейный коэффициент пораженности характеризует линейные процессы - абразию, сели, русловую и овражную эрозию и др. Он представляет собой отношение суммарной длины участков развития процесса к общей длине берега (абразия, русловая эрозия), водотоков (сели).
Частотный коэффициент представляет собой количество форм проявления процесса на единицу площади. Применяется реже, в основном для процессов с одинаковыми размерами, формами проявления - карст, наледи и др.
Методы изучения режима ЭГП на участках третьей категории-показатели, частота наблюдений
Показатели ЭГП третьей группы получаются в результате повторных, в том числе постоянных, режимных наблюдений за объектами ЭГП, а также на основании сравнительного дешифрирования личных графических материалов (аэрокосмофотоснимков, топооснов, карт и др.) разного времени. Эти показатели характеризуют развитие (активность проявления) процесса на различных уровнях, 5условленное как дальнейшим развитием (активизацией) существующих форм проявления изучаемого процесса - увеличением их размеров, площади, объема, так и возникновением новых. Во многих случаях - это скорость протекания процесса - абразия, эрозия, карст, суффозия, заболачивание и др. При этом различают региональные, жальные и детальные показатели.
Понятия о гидрогнодеформационном поле (ГГД поле) и ГГД мониторинге
ГГД мониторинг создан для предсказывания землетрясений, и требуется:
а) региональная, наблюдательная сеть ГГД мониторинга в сейсмоактивных регионах
б) полигоны комплексных наблюдений за геофизическими, гидрогеодинамическими, газо-гидрогеохимическими и гидротермическими полями
Функционирует в автоматизированном режиме электронный банк данных ГГД мониторинга, который содержит всю информацию многолетних наблюдений. Он обеспечивает быстрый поиск данных за любой период наблюдений и автоматизированное построение картографической основы для оценки геодинамической обстановки на различных этапах сейсмотектонической активизации, развития процессов подготовки землетрясений (по различным регионам и различным очагам землетрясений);
Региональная, наблюдательная сеть ГГД мониторинга находится на завершающем этапе оснащения автоматизированными регистрирующими комплексами и средствами телеметрии, обеспечивающими передачу информации в цифровом виде в режиме реального времени непосредственно пунктов наблюдений в центры ее обработки и анализа.
ГГД мониторинг основан на явлении глобально распространенных быстропротекающих пульсационных изменений в гидрогеосфере, и её способностью реагировать на изменения напряженно-деформированного состояния литосферы.
В качестве унифицированных показателей при ведении ГГД мониторинга применяются:
Уровень подземных вод является легко регистрируемым и наиболее чувствительным индикатором геодинамических процессов. Наряду с регистрацией изменения уровня подземных вод, ведется контроль за влиянием приливных и атмосферных возмущений.
Подобные документы
Обоснование роли инженерной геологии для строительства железных дорог и их эксплуатации. Анализ физико-механических свойств горных пород, необходимых для проектирования и строительства. Методы определения абсолютного и относительного возраста пород.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 26.04.2010Значение инженерной геологии для строительства. Физико-механические свойства горных пород. Суть процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Классификация подземных вод, основной закон фильтрации. Методы инженерно-геологических исследований.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 26.07.2010Свойства и особенности коры выветривания, ее структура. Геологическая роль биосферы и живого вещества в земной коре. Кора выветривания и почвообразование. Элементарные процессы выветривания минералов и пород. Горные породы и их роль в почвообразовании.
реферат [49,4 K], добавлен 15.01.2009Породообразующие минералы. Магматические, метаморфические и осадочные горные породы. Их основные признаки и физические свойства. Классификация грунтов. Анализ инженерно-геологических процессов и условий территории, оценка перспективности её застройки.
учебное пособие [3,7 M], добавлен 30.05.2012Значение инженерной геологии для проектирования и строительства. Задачи, решаемые этой наукой. Происхождение, минералогический и химический составы, структура, текстура и условия залегания. Основные физико-механические показатели свойств горных пород.
контрольная работа [260,9 K], добавлен 14.07.2010Определение, характеристика, строение, состав и границы геологических сфер. Характеристика классов минералов и геодинамические процессы и явления обвалов и осыпей. Отличительные признаки пород, а также структурная форма горных пород. Поток грунтовых вод.
контрольная работа [3,7 M], добавлен 28.01.2009Общее описание и характерные черты осадочных горных пород, их основные свойства и разновидности. Типы слоистости осадочных горных пород и структура. Содержание и элементы обломочных пород. Характеристика и пути образования химических, органогенных пород.
реферат [267,1 K], добавлен 21.10.2009Сущность понятия "инженерная геология". Минерал мусковит и порода сенит-порфит, супесь, мел. Условия образования и строительные свойства грунтовых отложений. Процесс просадки леса и обвала, возможные защитные мероприятия. Классификация подземных вод.
контрольная работа [59,7 K], добавлен 23.04.2010Образование магматических, осадочных и метаморфических горных пород. Основные виды горных пород и их классификация по группам. Отличие горной породы от минерала. Процесс образования глинистых пород. Породы химического происхождения. Порода горного шпата.
презентация [1,2 M], добавлен 10.12.2011Классификация горных пород по происхождению. Особенности строения и образования магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Процесс диагенеза. Осадочная оболочка Земли. Известняки, доломиты и мергели. Текстура обломочных пород. Глины-пелиты.
презентация [949,2 K], добавлен 13.11.2011
