CC BY
82
УДК 556.332.46
Н.В. Рубан, Н.С. Глазырина
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА КАК ЭЛЕМЕНТ РИСКА ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ В РАЙОНЕ ГОРОДА КАМЕНСКА-УРАЛЬСКОГО
Введение
В настоящее время в крупных городах Свердловской области растут объемы строительства, идет обновление старой застройки. При проведении градостроительных работ в городе Каменске-Уральском важнейшую роль играет геологическая среда и связанные с ней проявления опасных природных и техногенных процессов. Для оценки опасности (уязвимости) окружающей среды от воздействий техногенеза в 1992-1994 гг. был выполнен большой комплекс инженерно-геологических и эколого-гсохимических работ в масштабе 1:25000 и 1:50000, проведено ландшафтно-индикационное дешифрирование аэрофотоснимков масштаба 1:10000. Все это явилось основой построения ландшафтно-индикацнонноЙ карты, карты техногенного зонирования и карты проявления современных геодинамических процессов на территории города и его окрестностей [ 1,2].
Наиболее опасными природными и техногенными процессами (ОПТГ1) в исследуемом районе являются карст (воронки, провалы), суффозионно-карстовые западины. Идет подтопление отдельных участков города: район УАЗа, Красногорскей ТЭЦ, Синарского трубного завода и др. (см. рисунок). Подтопление территории является комплексной проблемой любого города. Процесс подтопления происходит в результате утечек воды из надземных коммуникаций из-за изношенности последних. Происходит засыпка оврагов, балок, мелких речек и ручьев, подсыпка грунта, асфальтирование дорог и т. д., что приводит к изменению не только уровня подземных вод, но и прочностных свойств грунтов.
Геолого-геоморфологические особенности территории города
Город Каменск-Уральский протянулся по течению реки Исеть на расстояние почти 30 км. Гидрографическая сеть представлена реками Исстью и Каменкой.
В геологическом отношении на территории города широко развиты и выходят на дневную поверхность карбонатные породы (пиясйский яруг нижнего карбона) [3]. По происхождению карбонатные породы весьма разнообразны, а именнэ: химические, органические, смешанные. Известняки серого и светло-серого цветов, большей частью окремненные или окварцоаанные, участками доломитизированные, мелкозернистые, от мелко до тонкокристаллических. Встречаются брекчевидные разновидности, в породах обломочный материал сцементирован тем же карбонатным веществом. Участками известняки кавернозные с размером каверн 3-5 см, стенки их выполнены друзами мелких кристаллов кальцита. Верхняя зона известняков, как правило, трещиноватая. Трещины обычно гонкие, заполненные глиной. Кровля жвестняков неровная, участками погружается ло 25-30 м. Иногда известняки разрушены до состояния щебня с заполнением пссчано-глинистой породой от 10 до 40 %. Отложения нижнего карбона слагают Каменскую синклиналь. Восточнее залегают андезитовые и базальтовые порфириты и их туфы. Контакт с эффузивными породами отчетливо прослеживается. С запада внзейские известняки контактируют с толщей терригенных пород верхнего мела. Контакт карбонатных и терригенных пород отмечается в районе деревни Брод на реке Исети.
Внзейские известняки перекрыты толщей меловых и четвертичных песчано-глинистых отложений мощностью от нескольких метров до 20-30 м. Мощность меловых отложении различна, чаще 3-7 м; они фациалыю изменчивы, содержат включения обломков известняков до 5-40 %.
Отложения алапаевской свиты нижнего мела нередко заполняют древние карстовые впадины в кровле внзейских известняков. Меловые отложения зачастую перекрыты делювиальными суглинками и глинами четвертичного возраста. Вблизи долин рек Исети и Каменки мощность их составляет несколько метров.
В геоморфологическом отношении район города расположен в западной части Зауральского пенеплена, восточной части цокольной равнины Западно-Сибирской низменности. В основном это слабохолмистая равнина с абсолютными отметками 160-200 м. Климатическая зона - лесостепь.
Схематическая карта районирования территории города по уровню проявления природного риска (с использованием материалов Ильина Л.N.. Пичугина Н. И.):
I - территории, полиержениме проявлению карста: 2 • устойчнные (еррнторни (карсимиле нроналм не паблюлаюгея): 3 - учаетки иолюилснпй
Среди природных ландшафгно-геохнмнческих систем можно выделим, пять основных разновидностей природных ландшафтных тон: элювиальные (водораздельные), трансэлювиальные (склоновые), транссупсраквальные (участки пойм и низкого комплекса террас), супираквальные (ландшафты озерно-болотных впадин и котловин), аквальные (ландшафты проточных и не проточных озер. рек. искусственных водоемов) [5].
Гидрогеологическая характеристика
Подземные воды района характеризуются этажностью водоносных горизонтов, приуроченных к различным стратиграфическим комплексам. Наиболее значительные водоносные горизонты заключены в каменноугольных и меловых отложениях (3). Участками на территории города на глубине 1-2 м в песчаных отложениях встречается верховодка.
Подземные воды меловых отложений приурочены к локальным эрозннно-текюничсским депрессиям в кровле палеозойских Пород. Водосодержащими породами являются пески и кварцево-глауконитовые песчаники. Питание горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков. Зеркало грунтовых вод имеет уклен к местным речным системам. На участках близкого к поверхности залегания известняков воды горизонта дренируются -трещиноватыми закарстованными породами. Обычно воды меловых отложений гидрокарбонатные кальциепые, пресные, обладающие агрессивностью по от ношению к карбонатным породам.
Нижнекаменноугольный водоносный горизонт приурочен к закарстованным трещиноваты« известнякам визейского яруса. Горизонт отличается высокой водообнльностыо. Подземные волк залегают на глубине 8-10 м и характеризуются гидрокарбонатным кальциево-магниевым составом с минерализацией 0,3-0.7 г/л. Именно к этим толщам приурочен Мазулинскнй водозабор.
В пределах города трещинно-карстовые воды образуют единый водоносный горизонт обладающий напором до 15 м. Глубина залегания вод этого горизонта колеблется в пределах от 0.
до 37 м. Наибольшая водообильность трещинно-карстового горизонта отмечается на участках, где известняки характеризуются интенсивной трещиноватостью и закарстованностью.
Основные закономерности развития карста
В районе города Камснска-Уральского широко развиты карбонатные карстуюшиеся породы, которые выходят на дневную поверхность по склонам речных долин (Исеть, Каменка).
Визейские известняки, как отмечалось выше, весьма подвержены карстовым процессам. Наиболее интенсивно эти процессы развиваются в чистых по составу карбонатных породах, для доломитизированных разностей характерны сравнительно небольшие по размерам каверны, заполненные доломитовой мукой.
На проявление карста существенное влияние оказывает древняя и современная тектоника. На речных берегах тектонические трещины дополняются трещинами бортового отпора и выветривания.
Выпадение преимущественного количества осадков в теплое время года и превышение осадков над испарением благоприятствуют развитию карстовых процессов.
Залегание трещиноватых карстующихся известняков выше дренирующих эрозионных врезов рек способствует поглощению вод известняками. В результате этого карстовые процессы получили развитие как в зоне аэрации, так и в зоне горизонтального движения подземных вод.
Карстовые формы рельефа приурочены в основном к долинам рек Исети и Каменки, где вследствие эрозии мощность покровных песчано-глинистых пород меловой и четвертичных систем значительно снижена и поверхностные воды сравнительно легко проникают в неглубоко лежащие визейские известняки. На водоразделах эти известняки прикрыты более мощным плащом песчано-глинистых отложений.
Формы проявления карста. Г лубинный карст
На территории юрода встречаются карстопроявления в виде полостей в толще известняков и впадин в их кровле. Глубинная закарстованность визсйских известняков района составляет 1,3-1,8 %.
По берегам рек в районе города наблюдаются скалистые выходы известняков, а в этих выходах встречаются ниши, широкие трещины, пещеры. Всего зафиксировано 9 пещер. Пещеры в основном простые, мешкообразные. Большинство из них имеет лишь один выход на поверхность. Длина пещер составляет 10-20 м, реже 40 м, ширина и высота от 1,4 до 8 м. Дно пещер горизонтальное или наклонное в сторону падения пластов пород, покрыто глинистым материалом и обломками известняков. Стенки и поголок неровные, с каверттами и трещинами. Все пещеры сухие. Натечные образования в них очень редки. В потолке тротов и проходов иногда наблюдаются вертикальные грубы, зияющие или заполненные песчано-глннистым материалом. На дневной поверхности они переходят в поноры, обнаруживаемые на дне карстовых воронок [4].
В кровле визейских известняков в ряде мест зафиксированы впадины, которые имеют воронкообразную форму и заполнены нижнемеловыми отложениями алапаевской свиты, представленными глинами, песками с обломками известняков. Мощность этих отложений в погребенных впадинах и воронках составляет 1-5 м, иногда 10-14 м.
Помимо крупных полостей, размером до нескольких метров, встречаются также и мелкие, в виде каверн, размерами до нескольких сантиметров. В большинстве своем полости заполнены.
Незаполненные полости встречаются сравнительно редко, причем размеры их по вертикали обычно не превышают 0,2-0,5 м.
Поверхностный карст
На поверхности карст в районе г. Каменска-Уральского выражен понорами, воронками, западинами, суходолами, карстовыми догами. Наиболее распространенной формой карстового рельефа являются воронки, которые развиты по склонам долин рек Исети и Каменки. Отмечаются они и в зоне контакта визсйских известняков с верхнедевонской песчано глинистой толщей. Глубина воронок составляет 0,5-3 м, размеры в плане 5 - 10 м и более. С приближением к речной долине они располагаются длинной осью перпендикулярно к реке и становятся похожими на овраги. Склоны воронок обычно слабо задернованы, дно сухое. На дне некоторых воронок можно обнаружить щелевндный понор. Количество воронок сравнительтто невелико: 12-15 на квадратный метр.
Образование новых воронок отуечалось в районе г. Каменска-Уральского в нескольких местах, причем в том и в другом случае причиной являлась деятельность человека. Так, на территории Синарского трубного завода возникло сразу 5 воронок, образование которых было связано со сбросом горячих промышленных вод, поскольку они были сильно агрессивными. За 12 часов через карстовые воронки ушло 8000 куб. м воды и возникли карстово-суффозионные просадки диаметром 6-10 м, глубиной 3-5 м. В 1953 г. под спортивным залом школы Синарского трубного завода произошел провал грунта. Воронка объемом 60 куб. м возникла в результате систематической утечки воды из котельной.
На правобережье р. Исети отмеча-отся пологие западины, свидетельствующие о проявлении современных карстово-суффозионных процессов.
Выьоды и рекомендации
В результате проведенных исследований было выполнено районирование территории города по уровню проявления природного риска (см. рисунок). Практически 60 % территории подвержено карстовым процессам и 27 % - подтопленизо
Исходя из вышеизложенного, полученные данные могут служить основой для разработки практических рекомендаций по повышению надежности эксплуатации сооружений: в сложных геологических условиях. Для возведения большинства гражданских и промышленных зданий города основной противокарстовой защитой является рациональный выбор площадки строительства, использование ле1гточных монолитных фундаментов и выполнение тамнонажных работ.
Следует также отметить, что для города Каменска-Уральского необходима организация современного мониторинга, предпосылками к созданию которого являются:
• острая необходимость в знании общих закономерностей развития карста на территории
города:
• потребность в оперативном принятии решений по противокарстовой защите инженерных сооружений;
• расширение сети режимных гидрогеологических скважин для оценки активности карстового процесса, а также наблюдения за уровнем колебания подземных boä в связи с подтоплением территории.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Глазырина Н.С., Ефанов П.П., Вигорова И.Э. Геолого-экологическая оценка состояния почво-грунтов города Каменска-Уральского и его окрестностей // Новые данные по литологии и стратиграфии Урала. Екатеринбург, 1993. 7 с.
2. Глазырнна Н.С., i;фа поп П.П., Рубан II.В. Эколого-i силогическая карта Свердловской области // Новые типы инженерно-геологических и эколого-гсологических карт. М.: МГ У, 2001. 2 с.
3. Государственная дологическая карта СССР масштаба 1:200000. Лист 0-41 -XXXII. / Под ред. М.С. Рапопорта. Свердловск, 1985. С. 3-130.
4. Рубан Н.В., Шохин А.Л. Геоэкологическое районирование промышленных районов Свердловской области на примере г. Каменска-Уральского и его окрестностей // Техногенная трансформация геологической среды. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 2 с.
5. Ильиных А.Н., Пичугина Н.И., Зорнина Ю.Б. Районирование территории г. Каменска-Уральского Свердловской области по степени закарстованнос ги и условиям строительства. Дзержинск, 1975.
