ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 2, с. 130-146
УДК 624.131.53:551.448
ПРОГНОЗ ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПРИМЕРЕ ДЗЕРЖИНСКОГО КАРСТОВОГО РАЙОНА
© 2013 г. А. В. Аникеев*, М. В. Леоненко**
*Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер., д. 13, стр. 2, Москва,
101000 Россия. E-mail: anikeev_alex@mail.ru **ОАО "Противокарстовая и береговая защита", ул. Маяковского, д. 33, Дзержинск, 606023 Россия. E-mail: mvleonenko@mail.ru
Поступила в редакцию 22.11.2011 г. После исправления 24.05.2012 г.
На примере области влияния водозабора вблизи г. Дзержинск Нижегородской обл. установлена тесная взаимосвязь размеров карстово-суффозионных провалов, частоты и интенсивности их образования с тремя циклами техногенного изменения гидродинамического режима продолжительностью 15, 13 и 12 лет. Предложены подходы и способы оценки устойчивости территории на локальном уровне, и дан прогноз развития процесса в сложившихся к настоящему времени инженерно-геологических условиях. Показано, что результаты, полученные на основе некоторых допущений, и выводы, сделанные в статье, тем более справедливы, что объемная скорость выщелачивания гипсов в этом районе достаточно высока.
Ключевые слова: гидродинамическое давление, гидроразрыв, истечение сыпучих тел, карст, кар-стово-суффозионная опасность, откачки подземных вод, провалы земной поверхности, суффозия массы, устойчивость массива пород.
ВВЕДЕНИЕ
Активное инженерно-геологическое изучение Дзержинского района начинается в конце 1920-х - начале 1930-х годов, когда производства химической промышленности, заложенные здесь до революции, стали интенсивно расширяться. Сам г. Дзержинск основан на месте рабочего пос. Растяпино и Чернореченской железнодоржной станции в 1930 г. [10].
Очень скоро стало ясным, что место строительства важных народно-хозяйственных объектов выбрано неудачно по причинам сугубо геологическим. И 10 мая 1941 г. СНК СССР принял решение о создании Дзержинской карстовой станции [11]. Очевидно, причиной такого решения послужила угроза возникновения катастрофических ситуаций в результате образования карстовых провалов. Из-за Великой Отечественной войны и последующего восстановления страны создание столь нужной организации откладывалось на 11 лет. Но уже с 1953 г. инженерно-геологические исследования на территории города и района во многом определялись работой Дзержинской
карстовой станции АН СССР1, позже - структурного подразделения ПНИИИС Госстроя СССР, а в настоящее время - ОАО "Противокарстовая и береговая защита".
Водозабор химического завода расположен на левом берегу р. Оки в 5 км северо-восточнее г. Дзержинск. Его площадь составляет 3.4 км2, а площадь зоны его влияния, где расположены важные промышленные и транспортные объекты (рис. 1), в середине 1970-х гг. достигала 30-31 км2. За последние 40 лет прошлого века на этой территории образовалось 29 карстовых воронок, которые служат серьезным источником экономического и экологического риска. В этой связи в 2007 г. выполнен анализ инженерно-геологических условий территории, их многолетних изменений и дан прогноз развития карстово-суф-фозионного процесса на период 2008-2010 гг.
При написании двух следующих разделов статьи помимо опубликованной литературы использованы материалы геологической и инже-
1 Создана Лабораторией гидрогеологических проблем им.
Ф.П. Саваренского АН СССР [10, с. 4].
а« , , Ж/д.а/д
Абс. отметки (м) ЗОЭГ \
Водозабор
ЗК
Рис. 1. Геоморфологический профиль области влияния водозабора: ТСБ - товарно-сырьевая база, водозабор - водозабор завода "Капролактам" (ЗК), ЗОЭГ - завод окиси этилена и гликолей, ж/д, а/д - железная и автомобильная дороги "Москва - Нижний Новгород", ИЗ-10 - шламонакопитель ИЗ-10.
нерно-геологической съемки масштаба 1:200000, карстологических обследований, режимных наблюдений и инженерных изысканий на этом участке, хранящиеся в фондах ОАО "Противо-карстовая и береговая защита".
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Рассматриваемая территория расположена в пределах 3-й, 4-й и частично 1-й надпойменных террас р. Оки (нпт) с абс. отметками 89.0-96.0 м, 98.0-104.0 м и 74.0-77.0 м соответственно [10]. Третья и в меньшей степени четвертая террасы имеют ярко выраженный грядово-холмистый за-падинный рельеф (рис. 1).
Четвертичные отложения
До глубины 24-53 м массив сложен аллювиальными накоплениями среднего и верхнего звеньев неоплейстоцена (аП-Ш), с поверхности перекрытыми торфом (1 нпт) и насыпными грунтами. Мощность последних обычно составляет 0-3.5 м, но на участках засыпанных оврагов и воронок увеличивается до 10-15 м.
Аллювиальные отложения представлены песками кварцевыми мелкозернистыми и пылева-тыми, местами среднезернистыми, с редкими маломощными (0.5-0.8 м) линзами и прослоями глин иловатых и песчанистых. В нижней части разреза встречаются крупнозернистые пески с включениями гравия и гальки, что характерно не только для этого участка [10]. Общая мощность четвертичной преимущественно песчаной толщи изменяется от 24.3 до 52.8 м (рис. 2).
Коэффициент неоднородности наиболее распространенных мелких песков и угол их откоса в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях составляют Кн = 3.6-12.0, (ф0)с = 27-31° и (ф0)в = 21-29°. Для пылеватых песков эти показатели равны Кн = 2.8-5.6, (ф0)с = 28-37° и (ф0)в = = 27-28°; для средних - Кн = 3.0-8.4, (ф0)с = = 26-32° и (фо)в = 24-29°. Высокие значения Кн свидетельствуют о суффозионной неустойчивости песков, особенно мелких, а значения Дф0 = = (ф0)с - (ф0)в, достигающие 6°-9° у мелких и пы-леватых разностей, - об их плывунных свойствах.
Средние значения плотности минеральной части песков практически одинаковые: 2.65-2.66 г/см3. Плотность же самих грунтов и их водопроницаемость изменяются в широких пределах. Коэффициент пористости мелких песков в зависимости от плотного или рыхлого сложения находится в интервале е = 0.49-1.48, пылеватых -е = 0.91-1.54, средних - е = 0.44-0.63. Коэффициент фильтрации мелких и пылеватых песков в естественном сложении составляет Кф = = 1.06-3.26 м/сут и Кф = 2.20-6.00 м/сут, а в средних может достигать Кф = 14.67 м/сут.
Пермские отложения
На абс. отметках 43.4-56.2 м четвертичная толща подстилается терригенными отложениями уржумского яруса средней перми (Р2иг), обычно представленными глинами красноцветными изве-стковистыми и глинистыми мергелями с прослоями алевролитов, а в нижней части - песчаников. Цемент алевролитов и песчаников известковисто-глинистый, все породы загипсованы [10].
Анализ колонок глубоких буровых скважин показывает сильную вертикальную и горизонтальную изменчивость литологического состава уржумских отложений. Чаще всего их разрез практически целиком сложен глинами и мергелями. Иногда верхи разреза представлены алевролитами, которые могут залегать и в основании толщи, а иногда - алевритами с прослоями глин. Песчаники порой полностью отсутствуют или образуют маломощные прослои в глинистой толще, но в скважине 2358 их доля в общей мощности терригенной толщи достигает 54%.
Зоны разрушенных пород высотой до 3.610.2 м и открытые полости до 0.5 м вскрыты бурением вблизи подошвы яруса. Первые представлены алевритами, песками, обломками глин и алевролитов, дресвой и мукой известняков, вторые фиксируются по провалам бурового снаряда. Общая мощность уржумских отложений зависит от степени их эрозионного размыва и рельефа
ТСБ Водозабор ЗОЭГ Ж/д, а/д ЗК
Рис. 2. Геологический разрез: 1, 2 - песчаная и мергелисто-глинистая толщи, 3 - алевролит, 4 - песчаник, 5 - известняк, 6 - доломит, 7 - гипс, 8 - ангидрит, 9 - доломитовая мука с обломками карбонатных пород, 10 - трещиноватость, 11 -геологический индекс, 12 - номер скважины и абс. отметка забоя. а11-Ш - аллювиальные отложения среднего и верхнего звеньев неоплейстоцена. Пермская система: Р2иг, Р2к2 - уржумский и казанский ярусы верхнего отдела, Р^ - сакмарский ярус нижнего отдела.
кровли подстилающих пород. Она изменяется от 1.0 м (скв. 20) до 18.9 м (скв. 1332), но, как правило, не превышает 7-15 м (рис. 2).
Преобладающие в разрезе глины отличаются большим содержанием тонкозернистых и пыле-ватых частиц (43.6-60.5%) и обычно находятся в твердом, полутвердом и тугопластичном состоянии. Плотность их скелета составляет рс1 = 1.451.58 г/см3; е = 0.73-0.90, Кф = 1 • 10-5-2 • 10-3 м/сут для сплошных и Кф = 5 • 10-3-7 • 10-2 м/сут для трещиноватых разностей. В зонах разуплотнения и в стенках полостей глины обладают пластичной консистенцией, а их плотность мала: = 1.31— 1.34 г/см3, е = 1.04-1.1. Прочность глин также зависит от их консистенции. Сцепление и угол трения твердых грунтов изменяются в интервале С = 63-100 КПа и { = 22-24°, пластичных - от С = 30-35 КПа, { = 7-14° и вплоть до С = 15 КПа, { = 4°.
Мергели, важной особенностью которых является способность размягчаться в воде и переходить из твердого в мягкопластичное состояние, характеризуются следующими значениями показателей: рс1 = 1.42-1.94 г/см3, е = 1.49-1.83, С = 41-140 КПа, { = 6-28°. Свойства алевролитов
и песчаников определяются их составом и состоянием цемента, а потому меняются в широких пределах: Кф = 0.006-1.4 м/сут, С = 7-65 КПа и { = 23-39°.
На абс. отметках 32.6-48.7 м залегают морские отложения казанского яруса средней перми (Р2кг), представленные органогенными доломи-тизированными известняками и тонкозернистыми окремнелыми доломитами с подчиненными прослоями известковых и известковистых глин. Карбонатные породы - кавернозные, трещиноватые, загипсованные, местами разрушенные до состояния щебня, дресвы и муки. Мощность разрушенных зон изменяется от 0.1-0.4 м до 5.86.4 м. Встречены открытые высотой 0.3-1.5 м и запечатанные карстовые полости (2.4-5.4 м), что в целом соответствует данным, полученным для всего Дзержинского района [10, с. 84-85]. Чаще всего подземные формы выполнены песком, доломитовой мукой, обломками алевролита с гнездами алеврита и дресвой известняка.
Мощность казанских отложений лежит в пределах 0.0-20.4 м. Наибольшая мощность наблюдается в зонах размыва подстилающих пород. Здесь
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.