научная статья по теме ПРОГНОЗ ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПРИМЕРЕ ДЗЕРЖИНСКОГО КАРСТОВОГО РАЙОНА Геология

Текст научной статьи на тему «ПРОГНОЗ ПРОВАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПРИМЕРЕ ДЗЕРЖИНСКОГО КАРСТОВОГО РАЙОНА»

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.

Показать целиком