Публикации
Главная/Пресс-центр/Публикации

Проблема оценки карстово-суффозионной опасности на территории г. Москвы

16:0025 августа 2017

Кочев А.Д.

ООО «ТРАНСПРОЕКТИНЖИНИРИНГ», г. Москва, a.kochev@mail.ru

Проблема оценки карстово-суффозионной опасности на территории г. Москвы

 

Целенаправленное изучение процессов, приводящих к образованию воронок на поверхности земли на территории г. Москвы, началось в конце 60- х годов прошлого века. Уже были известны случаи деформаций и разрушений жилых зданий.

К настоящему времени выявлено 42карстово-суффозионные воронки (КСВ), разрушено 4 жилых здания, из которых все жители были вовремя эвакуированы; обошлось без жертв. Это говорит о том, что опасность развития карстово-суффозионного процесса (КСП) на территории г. Москвы очевидна. Актуальность оценки карстово-суффозионной опасности (КСО) не вызывает сомнения.

Современные методы оценки КСО на территории Москвы регламентируются следующими нормативными документами: СП 47.13330.2012, СП 22.13330.11,  СП 24.13330.2011 [11‒13], Картой опасности древних карстовых форм и современных КСП в масштабе 1:10 000 [6], «Инструкцией ...» [5]. При этом сначала оценивается, в какой район по опасности попадает участок проведения детальных инженерно-геологических изысканий (ИГИ) (обычно в масштабах 1:200‒1:2 000). В случае, если таковыми оказываются опасные или потенциально опасные районы, то, согласно [11], необходимо получить значение расчетного диаметра карстового провала. Применение данного параметра зачастую может приводить к недостаточной защите зданий и сооружений на действительно опасных территориях и, наоборот, ‒ к завышению объемов защитных мероприятий на потенциально опасных территориях, которые часто после детальных ИГИ оказываются неопасными.

Расчеты диаметров карстовых провалов базируются главным образом на разработках М.М. Протодьяконова, Г.М. Шахунянца, В.В. Толмачева, В.П. Хоменко, А.В. Аникеева, В.М. Кутепова и др. Во всех расчетных схемах используется модель, основанная на механизме провала разделяющих глин в карстовую полость, расположенную в подошве этих глин, и трансляции разрушения через рыхлые покровные отложения на дневную поверхность. Данный процесс провалообразования протекает обычно достаточно быстро, что определяет его возможную катастрофичность, если затрагивает различные элементы инфраструктуры.

Наиболее обстоятельно вопросы оценки возможных расчетных диаметров карстово-суффозионных (КС) провалов и воронок применительно к условиям г. Москвы рассмотрены в работах В.П. Хоменко и А.В. Аникеева. Все авторы указывают на необходимость четко представлять механизм провалообразования или обрушения воронок оседания и соотносить их с ИГ

условиями территории [4, 8, 14 и др.]. В работах [1, 2] говорится о важности определения размеров ослабленного участка, через который осуществляется суффозия песчаного материала. На практике пока не удается определить параметры таких зон как прямыми, так и косвенными методами. Это крайне затрудняет использование расчетных схем при оценке возможных диаметров образующихся КСВ.

В процессе оценок расчетных диаметров КСВ часто используют схему Бирбаумера (или модель Шахунянца). Однако, как показано в работе [2], для слоя, мощность которого больше 1,3 диаметра ослабленного участка, эта схема неприменима. На территории г. Москвы мы в основном сталкиваемся с такими ситуациями, когда нарушенная зона по нашим представлениям [7, 8] составляет порядка 0,1‒0,5 м в диаметре. При этом известны случаи, когда при бурении скважин на северо-западе города диаметром 132мм в процессе подъема бурового снаряда происходил прорыв водонасыщенных четвертичных песков в закарстованный массив с образованием воронок поперечником 4‒6 м и более. То есть отношение диаметра сквозного отверстия в относительном водоупорном слое глин и диаметра воронки составляет минимум 40‒50. Диаметр воронки мог бы быть еще больше, если бы не были проведены рекультивационные работы по ее засыпке и бетонированию.

Следует добавить, что при изучении КС провалов на моделях из термопластических материалов [3], это соотношение составляло порядка 3‒5. Таким образом, наблюдается заметное отличие между натурными наблюдениями и результатами моделирования и расчетов. К тому же существующие расчетные схемы не учитывают «вакуумный эффект», описанный в работе [8], усиливающий фильтрационную силу выноса водонасыщенных песков в карбонатный массив.

В.П. Хоменко предложена классификация карстовых провалов [14] на основе генетических типов провалов, выделенных И.А.Саваренским и Н.А.Мироновым [10]. При оценке диаметров разных типов карстовых провалов осуществлена попытка учесть механизмы их формирования. Многие модели основываются на предположении о том, что карстовая полость расположена непосредственно в кровле карбонатных пород. Такое явление наблюдается крайне редко на территории г.Москвы; чаще полости располагаются ниже кровли растворимых пород на 5‒50 м. В этих случаях расчетные схемы резко осложняются необходимостью учитывать устойчивость слоя карбонатных пород и на сегодняшний день решения не имеют. Также осложняет расчет наличие прослоев глинистых пород в покровной мезо- кайнозойской толще, поэтому эти прослои не учитываются при схематизации ИГ условий.

В работе [14] предложена теоретическая формула для расчета максимально возможного диаметра КС провала фреатического типа. При этом указывается, что провал может произойти лишь при условии, когда максимальный диаметр провала будет больше величины диаметра провала «простого» типа для условий покрытого карста. Провалы «простого» типа формируются в условиях, когда над растворимыми породами залегает слой

глинистых пород, а сам провал образуется при обрушении глин в карстовую полость. КС провалы же фреатического типа формируются при сквозном нарушении относительно водоупорных глин и выносе водонасыщенного песка в закарстованный массив. На наш взгляд не совсем корректно сравнивать диаметры провалов в таких разных условиях.

Подавляющее число специалистов высказываются о назревшей необходимости изменить и усовершенствовать содержание СП в части ИГИ на закарстованных территориях. Существующие расчетные схемы зачастую используются необоснованно, нередко результат подгоняется под нужные проектировщикам и строителям значения.

В этой связи исследования В.П. Хоменко и А.В. Аникеева для Московского региона являются весьма актуальными и обнадеживающими в том плане, что появится наконец расчетный алгоритм для оценки возможных диаметров КСВ.

Механизм обрушения во многих расчетных схемах часто предусматривает наличие карстовой полости в кровле закарстованного карбонатного массива, в которую и происходит обрушение вышележащих юрских или (и) верхнекаменноугольных глин с последующим выносом залегающего выше песчаного материала в карстовые полости и трещины.

В результате комплексных ИГ исследований на северо-западе г. Москвы был выявлен механизм образования КСВ [7], который заметно отличается от предложенных ранее (рис. 1). Так, резкий скачок уровня подземных вод в каменноугольных отложениях (порядка 2‒5 м за 1‒2 дня) приводит к гидродинамическому разрыву относительно водоупорных глин в местах их повышенной трещиноватости. При этом размеры таких зон могут быть весьма невелики – 0,1‒0,5 м в диаметре. Под действием градиента вертикальной фильтрации через нарушение в водоупоре происходит прорыв воды и вынос четвертичных песков в закарстованный карбонатный массив. В связи с этим над указанной зоной нижняя часть песчаной толщи оказывается разуплотненной. Далее процесс развивается снизу вверх, захватывая все новые части разреза. В водоносной толще формируется своеобразный «купол разуплотнения». По достижении «куполом» уровня грунтовых вод (УГВ) начинается перераспределение масс песков зоны аэрации, где формируется «конус разуплотнения» с обращенной вниз вершиной, над которым, собственно, и образуется воронка оседания.

Размеры и скорость развития воронки определяются в основном глубиной залегания УГВ, расположением пьезометрической поверхности подземных вод в каменноугольных отложениях, наличием глинистых прослоев в водоносном горизонте и в зоне аэрации, их мощностью и глубиной залегания, а также количеством песчаного материала, способного выноситься в закарстованный массив. Трансляция зон разуплотнения от кровли юрских глин до поверхности земли может длиться до 2-х месяцев [8], то есть в московском регионе мы имеем дело не с быстрым провалообразованием, а с относительно медленным карстово-суффозионным оседанием. К сожалению, к настоящему времени еще не разработана расчетная схема, адекватно описывающая предложенный механизм протекания КСП. Это является предметом дальнейших исследований автора работы.

Вследствие вышесказанного не представляется возможным применительно к условиям г. Москвы использовать ни одну из существующих расчетных схем для оценки диаметров КСВ, поэтому на первый план обоснования карстовой опасности выступает точность и правильность оценки КСО по существующей и регламентируемой «Карте районирования ...» [6] и «Инструкции ...» [5].

Следует остановиться подробнее на принципах и критериях районирования [6], используемых при оценке опасности КСП.

Прежде всего, представляется нелогичным выделение двух категорий опасности– древних карстовых форм и современных КСП. Последние теснейшим образом связаны с древними карстовыми формами, которые являются приемником песчаного материала, выносимого из покровной толщи через сквозные нарушения в глинистом относительно водоупорном экране. В нашем случае опасность одна – возможность развития КСП с образованием КСВ на поверхности земли, что может нарушить устойчивость зданий, сооружений и коммуникаций. На наш взгляд, использование критерия районирования по степени закарстованности карбонатного массива не представляется возможным при масштабе карты 1:10 000, поскольку данный показатель обладает крайне сильной изменчивостью как по глубине, так и по латерали. Последнее доказали детальные исследования, выполненные на северо-западе г. Москвы [7, 9, 16]. Так, вблизи образовавшихся воронок степень закарстованности, зафиксированная по результатам бурения, была весьма высокой, а на расстоянии в 20‒40 м от воронок менялась до средних и даже низких значений. На некоторых участках, отмеченных на рассматриваемой карте как неопасные, при бурении встречаются полости глубиной более 1 м. А в неопасных районах по развитию древних карстовых форм зачастую наблюдаются образовавшиеся воронки (рис. 2). Такая сильная изменчивость степени закарстованности карбонатного массива не позволила использовать этот важный показатель в качестве критериального и при типологическом ИГ районировании территории по степени КСО на северо – западе Москвы в масштабе 1:2 000 [9]. На карте районирования были только показаны средние значения степени закарстованности по скважинам.

Рис. 2. Фрагмент карты опасности древних карстовых форм и современных карстово- суффозионных процессов. Составлена сотрудниками ГБУ «Мосгоргеотрест» и ИГЭ РАН [6]. Красным контуром выделен фрагмент карты, приведенный на рис. 4, а

Оценить степень закарстованности можно лишь при выполнении детальных ИГИ в масштабах 1:200–1:500, хотя ИГ сообщество уже давно ожидает разработок высокоточных геофизических методов, способных оценивать с высокой достоверностью состояние карбонатного массива и перекрывающего его глинистого экрана.

Возвращаясь к рассмотрению критериев опасности древних карстовых форм, можно видеть, что к неопасным на «Карте...» [6] отнесены районы, где карбонатные породы залегают под каменноугольными глинами. Однако КСВ могут образовываться и в таких типах разрезов, где известняки перекрыты верхнекаменноугольными глинами [9], а карбонатные породы сильно трещиноваты и закарстованы (открытые полости высотой более 1 м). В таком случае эти районы могут быть и опасными.

Некоторые неточности наблюдаются при выборе и использовании критериев районирования для оценки опасности современных КСП. Так, одним из критериев выделения опасных территорий в Аннотации к «Карте...» [6] указана приуроченность к доледниковым и современным речным долинам. При этом не уточняется, на основании каких выявленных закономерностей и как проводится граница опасного района. «Приуроченность»‒ это слишком абстрактная характеристика опасности; необходима формализация данного

критерия для обоснования выделения границ на карте. Приуроченности же опасного района к современной гидросети вовсе не наблюдается (рис.2). Скорее наоборот, неопасные районы в северо-западной части города тяготеют к долине р. Москвы.

В пределах опасных районов по возможности развития КСП зафиксированы и детально изучены КСВ в местах, которые на «Карте...» [6] соответствуют неопасным районам по наличию древних карстовых форм, что противоречит природе развития КСП.

В качестве критерия районирования по опасности КСП предлагается [6] наличие нисходящей вертикальной фильтрации через глинистый слабопроницаемый слой. Такая фильтрация действительно происходит интенсивно в локальных местах гидроразрыва глин и сопровождается суффозионным выносом песков в карбонатный массив при активизации КСП. Но, как выявить и откартировать такие малые зоны, как реально использовать данный критерий, ясности нет. Невозможно ведь использовать все факторы, активизирующие развитие КСП, в качестве критериальных при районировании территории. В качестве критерия районирования по опасности современных КСП авторами «Карты...» [6] вводится показатель «максимально возможного градиента вертикальной фильтрации» (IМАКС), при котором УГВ находится на абсолютных отметках поверхности земли, а пьезометрический уровень в верхнем водоносном горизонте карбонатных пород ‒ на поверхности их кровли (рис. 3).

При неизменных значениях мощности водоупора и уровня подземных вод в карбонатном массиве получается, что, чем больше мощность покровных отложений, тем выше значение максимального градиента, то есть тем выше опасность территории. А это противоречит выявленным ранее закономерностям [4], при которых опасность территории снижается при увеличении мощности покровных отложений. Так, опасными территории считаются при мощности покровных отложений менее 20 м, потенциально опасными – 20‒50 м, неопасными – более 50 м.

Представляется сомнительным, что УГВ может достигнуть поверхности земли. Многочисленные прогнозы повышения УГВ в Москве, выполненные разными методами, сводятся к значениям 1‒1,5 м при обильном снеготаянии, сильных ливнях или при утечках из водонесущих коммуникаций.

Следует отметить установленный факт [7, 8], что уровень подземных вод в каменноугольных отложениях может опускаться заметно ниже кровли известняков и доломитов. Тогда, в связи с «вакуумным эффектом» возникает реальная угроза образования сквозных нарушений в перекрывающих глинах на участках, где их мощность мала и они ослаблены, нарушены и трещиноваты. Указанный максимальный градиент никак не учитывает этот фактор.

Вообще градиент вертикальной фильтрации является динамичным, меняющимся во времени условным показателем и может служить лишь в качестве характеристики участка работ на период его изучения, а не в качестве критерия районирования территории.

Важнейшее условие развития КСП в Москве – мощность юрского и верхнекаменноугольного глинистого слабопроницаемого экрана‒ в перечне критериев выделения разных по опасности территорий в рассматриваемой «Карте...» [6] отсутствует. Лишь косвенно в завуалированной форме она учитывается в показателе максимального градиента вертикальной фильтрации (величина m).

При изучении карты районирования ГБУ «Мосгоргеотрест» (рис. 4, а) создается впечатление, что опасный район по возможности развития КСП оконтурен только по одному принципу– по площади распространения известных КСВ, граница которой проведена достаточно условно. Расстояния от воронок до границ опасного района всюду различные. Хочется отметить, что в условиях мегаполиса не исключены варианты, когда некоторые воронки специально не обследовались, не были задокументированы, возможно, были просто засыпаны, забетонированы или заасфальтированы. Поэтому имеет

смысл предполагать наличие других мест, где протекали КСП, незафиксированные впоследствии.

Рис. 4. Фрагменты карт инженерно-геологического районирования территории по степени опасности карстово-суффозионных процессов: а ‒ составленная специалистами
ГБУ «Мосгоргеотрест» и ИГЭ РАН (условные обозначения см. на рис. 1),
б ‒ составленная специалистами ПГО «Гидроспецгеология»

Другой подход был предложен в работе [9]. На основании комплексных ИГ исследований был составлен подробный паспорт на каждую из 42- х известных воронок, проведена типизация условий их образования по сходству геолого-гидрогеологического строения участков. После этого применительно к выявленным типам условий оценивалась исследуемая территория по опасности КСП. Работа выполнялась в масштабе 1:2 000 (рис. 4, б). Таким образом, во- первых, были учтены конкретные типы условий, в которых фактически уже образовались все известные на сегодняшний день КСВ в Москве, во-вторых, районирование по условиям развития древнего карста на самом высоком таксономическом уровне уже позволило произвести общую оценку территории по КСО, учитывая, что первостепенным процессом был карст.

Такими выявленными при анализе оценок КСО упущениями и погрешностями и объясняются серьезные отличия построенных карт районирования (рис. 4), особенно при выделении опасных участков возможного развития КСП.

На основании проведенного анализа можно рекомендовать следующее:

1. Выполнить ИГ типологическое районирование всей северо-западной части г. Москвы по степени КСО, учитывая глубокий всесторонний анализ конкретных условий развития КСВ.

2. Разработать нормативно-методическую базу на основе существующей «ИНСТРУКЦИИ...» [5], уточнив ее на основании новых данных об условиях образования КСВ, в частности, обосновать и выбрать критерии оценки

опасности КСП, формализовать их для более удобного использования инженер- геологами.

3. Исключить из требований СП необходимость обязательного проведения расчетов диаметра карстового провала, поскольку на сегодняшний день не существует адекватного алгоритма таких расчетов для территории г. Москвы.

4. Целесообразно объединить усилия специалистов в создании математического аппарата для расчетов возможных диаметров КСВ и оценки их опасности.

Список литературы:

  1. АникеевА.В. О причинах провалов и локальных оседаний земной поверхности в Москве // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. М., 2002. No 4. С. 363‒371.

  2. Аникеев А.В. Суффозия. Механизм и кинематика свободной суффозии // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. М., 2006. No 6. С. 544‒553.

  3. Аникеев А.В. Изучение карстово-суффозионных провалов на моделях из термопластических материалов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. М., 2008. No 4. C. 1‒17.

  4. Аникеев А.В. Методика оценки карстово-суффозионной опасности и риска в Москве. М.: LAP LAMBERT Аcademic Publishing RU, 2017. 80 с.

  5. Инструкция по проектированию зданий и сооружений в районах г. Москвы с проявлением карстово-суффозионных процессов. М.: Мосгорисполком, 1984. 14 с.

  6. «Карта опасности древних карстовых форм и современных карстово- суффозионных процессов» масштаба 1:10 000. ГУП «Мосгоргеотрест», ИГЭ РАН. М., 2012. 2-я редакция.

  7. Кочев А.Д., Чертков Л.Г., Зайонц И.Л. Методика и результаты комплексного изучения карстово-суффозионных процессов в г.Москве. Инженерная геология. 1989 г. No 6. С. 77‒94.

  8. КочевА.Д. Природа и механизм карстово-суффозионных процессов на территории г.Москвы и совершенствование методики их инженерно- геологического изучения: дис. ... канд. геол.-мин. наук. М.: МГРИ им. С. Орджоникидзе, 1990. 169 с.

  1. Кочев А.Д., Чертков Л.Г., Зайонц И.Л. К вопросу геологического районирования территории северо-запада
    степени опасности развития карстово-суффозионных
    Материалы науч.-практ. конференции «Инженерно – геологические задачи современности и методы их решения». М.: Геомаркетинг, 2017. С. 24‒40.

  2. Саваренский И.А., Миронов Н.А. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста. М.: ПНИИИС Минстроя СССР. 167 с.

  3. 11.СП47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М.: Госстрой, 2013. 109 с.

  1. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. М.: Минрегионразвития, 2011. 161 с.

  2. СП 24.13330. 2011. Свайные фундаменты. М.: Минрегионразвития, 2011. 85 с.

  3. Хоменко В.П. Карстовое провалообразование: механизм и оценка опасности // Материалы Международного симпозиума «Экологическая безопасность и строительство в карстовых районах». М.: МГСУ, 2015. С. 50‒60.

  4. Хоменко В.П. Нормативная оценка карстовой опасности: кризисная ситуация // Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях: материалы Росс. конф. с междунар. уч. (г. Уфа, 22–23 мая 2012 г.). Уфа: БашНИИстрой, 2012. С. 240–245.

  5. Чертков Л.Г. Карстовые и суффозионно-провальные явления на территории г. Москвы и методика их инженерно-геологического изучения: автореф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. М.: МГУ, 1984. 22 с.