Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геоэкологическая оценка лессового псевдокарста в целях строительства
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология
Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка лессового псевдокарста в целях строительства"
На правах рукописи
ЛАВРУСЕВИЧ Андрей Александрович
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЛЕССОВОГО ПСЕВДОКАРСТА В ЦЕЛЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА
25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
2 п гри 2012
Москва-2012
005047229
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»
Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук ,
Хоменко Виктор Петрович
Официальные оппоненты:
Круподеров Владимир Степанович, доктор геолого-минералогических наук, профессор, директор ФГУП ВСЕГИНГЕО
Колосов Евгений Васильевич, доктор технических наук, профессор, ректор ННГАСУ
Готман Альфред Леонидович доктор технических наук, профессор, главный инженер ГУП «БашНИИстрой»
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук «НИИСФ» « РААСН» г.Москва.
Защита состоится 03 октября 2012 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, Зал заседаний Ученого Совета (1 этаж административного здания).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан « » августа 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Одним из главнейших событий в истории современного человечества является эмпирическое обнаружение грозной опасности, нависшей над биосферой и всеми живыми существами на Земле. Эта опасность в научной литературе названа -техногенезом и представляет собой процесс изменения природных комплексов и биогеоценозов под воздействием производственной деятельности человека. (Н.Ф.Ремерс, 1990, ГОСТ 17.5.1.01-83). Действительно, с начала 20-го века деятельность технически вооруженного человечества стала сопоставима с геологическими силами, меняющими облик Земли.
Работа посвящена одному из частных вопросов взаимодействия Среды и технически вооруженного общества (человека) — это опасные для строительства явления, возникающие в геологических массивах сложенных лессовыми породами под воздействием техногенеза. Лессовые породы очень чутко реагируют на малейшие изменения окружающей среды, теряя при любом воздействии на них свои уникальные свойства. Эта потеря свойств проявляется в виде целой серии сложных физико-химических процессов, иногда протекающих стремительно и имеющих серьезные последствия для окружающей среды и возведенных человеком сооружений. Выражается это, в первую очередь, в виде просадочности и лессового псевдокарста.
Просадочность и лессовый псевдокарст - два разных геологических феномена. Их объединяет общая среда развития - лессовые породы, способные и к просадочности, и к псевдокарстованию. Медленное, площадное повышение влажности лессовых пород, как правило, вызывает просадку, но исключает развитие псевдокарста. Для развития псевдокарста необходимо турбулентное движение потока воды вниз по трещинам, ходам землероев, корнеходам и т.д. То есть, в отличие от просадочности, не происходит смачивание массива полностью, хотя нередко эти два процесса действуют совместно.
Проблема строительного освоения территорий распространения лессового псевдокарста до сих пор не получила должного теоретического и практического обоснования. Среди научных работников, изыскателей и проектировщиков преобладает так называемый «пообъектный» или кластерный подход, когда лессовый псевдокарст рассматривается лишь как частный случай. Отсутствует скоординированность специалистов изучающих этот феномен, существует серьезная понятийная разобщенность, нет общепринятых целевых установок и подходов, что не позволяет в полной мере учесть и использовать накопленный опыт взаимодействий и борьбы с лессовым псевдокарстом.
На протяжении 3-х десятков лет автор проводил инженерно-геологические и геоэкологические исследования лессового псевдокарста в различных регионах России, СНГ и дальнего зарубежья. Отсутствие должного внимания к этому необычайно сложному, интересному и стремительно развивающемуся явлению, приводит к его все более широкому распространению.
Назрела необходимость обобщения многочисленных фактов проявления лессового псевдокарста в рамках единого теоретического представления, на основании которого необходимо разработать общие принципы и подходы к хозяйственному использованию лессовых территориий потенциально уязвимых и уже пораженных лессовым псевдокарстом.
ОБЪЕКТОМ исследования является лессовый псевдокарст — комплекс сложных инженерно-геологических процессов, развитие которых приводит к разрушению зданий и сооружений, выводу из сельскохозяйственного использования ценных поливных земель, деградации уникальных лессовых ландшафтов.
ПРЕДМЕТ исследований - территории и массивы, сложенные лессовыми породами, весьма чувствительные к воздействию увлажнения и техногенеза. ЦЕЛЬ диссертационного исследования — всесторонне изучить опасные проявления лессового псевдокарста, причины, факторы их формирования в природных условиях и в условиях техногенеза, с целью экологически безопасного хозяйственного освоения территории и разработки соответствующих защитных мероприятий в районах распространения лессовых отложений, как в условиях существующей застройки, так и в случае перспективного хозяйственного освоения территорий. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие ЗАДАЧИ:
1. Провести всестороннее изучение феномена лессового псевдокарста в натуре и определить основной комплекс факторов влияющих на его формирование и развитие. Выявить закономерности развития типов лессового псевдокарста.
2. Определить роль техногенеза в формировании лессового псевдокарста.
3. Установить критерии опасности формирования лессового псевдокарста. Оценить опасность, уязвимость лессовых массивов и степень геологического риска при развитии лессового псевдокарста.
4. Разработать предварительные рекомендации по локализации и предотвращению лессового псевдокарста. Определить условия безопасной эксплуатации лессовых массивов при строительстве зданий, инженерных сооружений и при орошении лессовых массивов.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЙ БАЗОЙ ИССЛЕДОВАНИЯ послужили работы Ф.Рихтгофена, МЛ.Фуллера, М.М.Решеткина, Н.И.Кригера и др. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. Лессовый псевдокарст проявляется в виде провалов, воронок, пещер, оврагов, останцов и других морфологически схожих с карстовыми подземных и поверхностных форм рельефа, образующихся в результате гидромеханического, гравитационного, физико-химического и биогенного разрушения лессовых пород, связанного с их обводнением. Высокая скорость формирования лессового псевдокарста во многих случаях позволяет считать его более опасным для строительства геологическим феноменом по сравнению с просадочностью.
2. Кроме интенсивности обводнения лессовых пород условия формирования лессового псевдокарста и его динамика определяются особенностями: а) рельефа земной поверхности; б) строения толщи лессовых пород; 3) жизнедеятельности обитающих в них организмов; 4) техногенных воздействий на геологическую среду. В соответствии с этим выделены характерные типы лессового псевдокарста, формирующиеся согласно определенным концептуальным моделям: придолинный, придолинно-балочный, балочный, приуроченный к откосам, а также типы, связанные с подземной экскавацией лессов, с оползнеобразованием и с просадочностью.
3. Интенсивность формирования лессового псевдокарста резко возрастает в условиях активного техногенеза. В нетронутых техногенезом лессовых массивах, когда лессовые породы находятся в состоянии метастабильного равновесия лессовый псевдокарст не является характерным или развивается крайне медленно. В роли решающих факторов техногенеза выступают строительство, нарушение сплошности почвенного покрова в результате распахивания, утечки промышленных и бытовых вод, которые способствуют инфильтрации воды в лессовый массив и т.д.
4. Существуют определенные закономерности пространственного распространения лессового псевдокарста, обусловленные рядом природных и, в основном, техногенных факторов, которые отчетливо прослеживаются на схематических картах пораженности лессовым псевдокарстом территорий Яванской долины, Юго-Западного Таджикистана и России. Предложены соответствующие критерии оценки опасности лессового псевдокарста для различных видов строительства по данным инженерно-геологических изысканий.
5. Ущерб от формирования лессового псевдокарста в основном связан с разрушением объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства, а также сельхозугодий, в результате неконтролируемого обводнения лессовых пород. Этот ущерб может быть минимизирован или даже полностью исключен при соблюдении определенных рекомендаций по строительству и эксплуатации зданий, сооружений и сельхозугодий в районах распространения лессовых пород.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в теоретическом и практическом исследовании феномена лессового псевдокарста и обоснования необходимости срочной разработки рекомендаций по предотвращению дальнейшего развития этого опасного инженерно-геологического явления.
1. Автором описаны и выделены новые формы и типы лессового псевдокарста. Расширена классификация псевдокарстовых форм рельефа.
2. Изучена и описана динамика развития лессового псевдокарста, комплекс факторов (в том числе биологических), как способствующих, так и препятствующих формированию лессового псевдокарста.
3. Разработаны критерии оценки лессовых массивов по их уязвимости лессовым псевдокарстом. Показана степень опасности и риска псевдокарстового феномена.
4. Приведены примеры оценки пораженности лессовых территорий псевдокарстом. Показано, что при парагенезисе геологических процессов с лессовым псевдокарстом скорость разрушения лессовых пород значительно возрастает или приводит к возникновению катастрофических ситуаций.
5. Даны предварительные рекомендации по условиям безопасного строительства и эксплуатации инженерных сооружений на лессовых массивах.
6. Показано, что при соблюдении норм водопользования и организации цивилизованного сброса воды, скапливающейся на поверхности лессового массива, до местного базиса эрозии, псевдокарст отсутствует или формируется крайне медленно
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ знаний, полученных в результате диссертационного исследования лессового псевдокарста, позволяет поставить его в один ряд с такими опасными геологическими явлениями, как карст, оползни, обвалы, абразия, сели, и др.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ темы диссертационного исследования заключается в том, что результаты работы могут быть использованы:
- научно-исследовательскими и проектно-изыскательскими организациями при хозяйственном освоении территорий, сложенных лессовыми породами;
эксплуатирующими организациями для принятия оперативных управленческих мер по предотвращению значительных экономических ущербов в случае формирования лессового псевдокарста;
- при подготовке документации на предпроектных стадиях и стадиях проектирования для оценки инвестиционной перспективы на территориях развития лессовых пород;
- внедрение в практику строительной отрасли разработанных рекомендаций по предовращению псевдокарста, а в случае его формирования по восстановлению нарушенных псевдокарстом лессовых массивов, с применением методов технической мелиорации;
результаты диссертационного исследования используются при преподавании студентам МГСУ дисциплин: «Общая геология», «Инженерная геология».
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. При сборе и обработке материалов автор использовал, прежде всего, методы инженерно-геологических исследований. На опорных участках при участии и под руководством автора были проведены инжнерно-геологические съемки масштабов 1:50000, 1:25000, 1:10000, 1:5000 и 1:1000, горно-проходческие и буровые работы, полевые методы испытания грунтов и горных пород (динамическое и статическое зондирование, штампы, опытные наливы в шурфы, опытные нагнетания, опытные одиночные и кустовые откачки, геофизические исследования и др.), лабораторные методы. Аэровизуальные наблюдения проведены автором на опорных участках, а также при повторных облетах на изучаемых участках в течение ряда лет, с целью выявления массивов пораженных лессовым псевдокарстом и динамики их разрушения (повторное фотографирование). Применялись методы математической статистики и математическое
моделирование, а также обработка данных на персональных компьютерах. Проведено определение минералогического, гранулометрического состава лессов, слагающих опытные участки. Для анализа микробиологического состава лессовой корочки проведены посевы проб, содержащей актиномицеты, грибы, и водоросли. Помимо изучения микрофауны велись наблюдения за мелкими и крупными норными роющими млекопитающими. Проведены исследования корневой системы высших растений и др. Кроме того, автор использовал уникальные методы фрактального анализа для исследования динамики и прогноза лессового псевдокарста. ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИИ обеспечена сопоставлением теоретических и практических результатов, а также постановкой собственных лабораторных и натурных экспериментальных исследований. Для сопоставления использовались литературные источники и данные полученные автором в ходе исследований.
В основу работы положены полевые исследования автора, которые проводились в различных районах Таджикистана и Южно-Таджикской депрессии в период с 1979 по 2002 годы. В Приташкентском районе Узбекистана в 2000 и 2002 годах, на Северном Кавказе в 2011 году, в Китайской Народной Республике (провинции Ганьсу, Шеньси и Шаньси) в 2009, 2010 годах. Стационарные исследования лессового псевдокарста в течение длительного времени осуществлялись в Таджикистане на ключевых опорных участках в пределах Первомайской впадины района Нурекского водохранилища совместно с сотрудниками Южно-Таджикской гидрогеологической экспедиции, Яванской долины и плато Уртабоз совместно с институтом ТаджикГИИНТИЗ, Дангаринской степи, где автор работал старшим геологом партии ГПИ «Таджикгипроводхоз», Московской, Тульской, Орловской, Курской, Воронежской, Белгородской и Волгоградской областей, где автор, работая доцентом кафедры географии Орловского госуниверситета, проводил эпизодические наблюдения за псевдокарстовыми явлениями. Стационарные и маршрутные исследования с использованием топографической основы и аэро - космоснимков проходили в пределах всех перечисленных районов, что позволило создать крупномасштабные карты пораженности псевдокарстом ключевых участков и мелкомасштабные карты пораженности лессовым псевдокарстом Юго-Западного Таджикистана и распространения псевдокарста на территории России.
АПРОБАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные положения диссертации докладывались и отражены в материалах конференций, семинаров, совещаний в городах Душанбе, Орел, Москва, Воронеж, Владивосток, Новороссийск, в том числе за последние три года на:
1. Международной конференции посвященной 100 летаю со дня рождения Г. А. Мавлянова. Ташкент, 2010г.
2.Международной научной конференции «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии». Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, 2526 мая 2010г.
З.Тринадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности». МГСУ. Москва, 14 - 21 апреля 2010г.
4.7-ой международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений». Владикавказ, 14-16 сентября 2010г.
5.5-х Денисовских чтениях. Сентябрь. 2010г. МГСУ. Москва
6.Международной конференции "Инженерная защита территорий и безопасность населения" (Engeopro-2011). Москва, сентябрь 2011г.
7.Международной научно-практической конференции «Ресурсно-экологические проблемы Волжского бассейна» г.Владимир, 20-22 октября
2011 года;
8.Двенадцатой и четырнадцатой научных конференциях «Сергеевские чтения», проводимых Научным советом РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Москва, март 2010 и 2012 гг.
9.Российская конференция с международным участием «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях». Уфа, 2012г.
Ю.Всероссийской научно-практической конференции «Геолого-геохимические проблемы экологии», Москва, 2012г.
11. На расширенном заседании кафедры инеженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО «МГСУ» в 2009, 2010, 2011 и апреле 2012 года.
12. International conference on loess research. 1NQUA. Loess in China and Europe
2012 -Novi Sad, Vojvodina, Serbia.
Результаты исследований автора используются изыскательскими подразделениями институтов «ТаджикГИИНТИЗ», «Таджикгипроводхоз» и ПО «Таджикгеология» в Республике Таджикистан, а также изыскательскими подразделениями ОАО «Орелгеология».
Публикации. Автором опубликована 51 работа, в том числе по теме диссертационного исследования опубликовано 45 работ, в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК для публикации основных положений диссертации на соискание ученой степени доктора наук, — 15. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Объем работы составляет 320 страниц. Список литературы содержит 315 наименований, в том числе 58 ссылок на иностранных авторов.
Пользуясь случаем, автор выражает благодарность за поддержку и ценные замечания в период работы над диссертацией заведующему кафедрой «ИГ и ГЭ» МГСУ проф., заслуженному геологу РФ д.т.н
A.Д.Потапову и сотрудникам кафедры С.Н.Чернышеву, Платову H.A., Г.М.Глумовой, Н.Д.Кругловой, И.М. Сенющенковой, Б.А.Граниту, B.C. Крашенинникову, сотруднице института геологии АН Респ. Таджикистан
B.Д. Салтовской, а также целеустремленному сподвижнику по изучению псевдокарста в Таджикистане С.А.Лаврусевичу, энтузиастам, любителям
истории и уникальной природы Китая - П.В.Богачко и М.С. Завадскому за помощь в организации уникального маршрута протяженностью более 2500км по Лессовому плато. Автор с благодарностью и теплом вспоминает своего первого научного руководителя проф. д.геол.-мин. наук Н.И. Кригера и проф. д.г.н. В.В.Добровольского за их поддержку и утверждении в соискателе веры в науку. Особую благодарность и признательность автор выражает своему научному консультанту д.геол.-мин. наук В.П.Хоменко за ценные рекомендации и замечания при написании диссертации, отзывчивость, доброжелательность и постоянную заботу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении освещена постановка проблемы лессового псевдокарста, обоснована ее актуальность, а также содержится краткая характеристика работы и выражение признательности автора кллегам за оказанную ему помощь и поддержку.
В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы псевдокарста и лессового псевдокарста, рассмотрена краткая история формирования терминов относящихся к данной тематике.
Дискуссия об объеме и содержании понятия «псевдокарст» велась на протяжении последних ста лет. Изучению карстоподобных форм рельефа, образованных в результате иных процессов, посвящены многочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов. Они отмечают, что основное отличие псевдокарста от карста - отсутствие карстующихся пород, хотя формы рельефа как подземные, так и поверхностные, одинаковы.
Первые сведения о феномене лессового псевдокарста мы находим в монументальном труде Ф.Рихтгофена «Китай», где впервые описаны разнообразные формы разрушения лессовых массивов. Ф.Рихтгофен впервые высказал предположение о росте оврагов не по классической схеме снизу вверх, а сверху вниз, к базису эрозии (F.Richthofen, 1877). Вальтер фон Кнебель, немецкий геолог, использовал термин «псевдокарст» еще в 1906г. в работе "Höhlenkundemit Berücksichtigung der Karstphänomene" (Knebel, 1908). Формы разрушения лессов Китая описаны М.И.Фуллером(1922).
В отличие от XVIII века в конце XX и начале XXI веке лессовый псевдокарст стал представлять серьезную проблему хозяйственного освоения территорий, игнорирование которых приводит к значительным материальному, социальному и экологическому ущербам.
В 1975г. в труде Н.И. Кригера «Лессовый псевдокарст», впервые приведена классификация псевдокарстовых форм рельефа и подробный анализ литературы, посвященной этим вопросам как у нас в стране, так и за рубежом. В нормативной литературе термин «лессовый псевдокарст» впервые встречается в п. 1.8 ВСН 33-2.2.06-86, и в п. 6.10 СНиП 11-02-96 . В настоящее время понятие псевдокарст во всем мире приобрело права научного термина.
В 1992 году в г. Кунгур было проведено Всесоюзное совещание посвященное проблеме псевдокарста (Проблемы псевдокарста, Пермь,
1992).Во вступительной статье В.Н.Андрейчук излагает точку зрения большинства отечественных ученых о том, что постановка проблемы псевдокарста выдержала испытание временем, что подтвердило обоснованность и правильность вывода Молотовской (Пермской) конференции 1947г., о внешнем сходстве псевдокарста с типичным карстом, но их различных природе и генезисе.
В 1997 году на 12-ом Международном Конгрессе по Спелеологии в Ла-Шо-де-Фоне (Швейцария) был организован псевдокарстовый комитет (ЕзйегЬаБ-Багкбг!, 1996). С этого момента стали проходить регулярные международные псевдокарстовые конгрессы: Бразилия 2001, Греция 2005, Италия 2008. В 1997г на 12-ом Международном конгрессе ВМС (ШБ) опираясь, главным образом, на итоги рабочей сессии, была принята следующая классификация псевдокарста (НоШс1ау, 1996), которую мы представим в следующем виде:
По данным Малин и Эджетт (2000) стало известно даже о некоторых формах рельефа на планете Марс, которые могут быть аналогичны земному псевдокарсту.
Как видно из всего вышесказанного сегодня, как в нашей стране, так и за рубежом понятие «псевдокарста» приобрело право научного термина (Дублянский, Дублянская,1992).
В.П.Хоменко (2003) считает, что употребление термина псевдокарст приемлемо не к процессам, а к явлениям, морфологически сходным с карстовыми, происхождение которых различно, но не связано с растворением карстующихся пород. Суффозия, несомненно, входит в число геологических процессов, формирующих псевдокарстовые явления, но многообразие суффозионных форм псевдокарстом не ограничивается. Формирование
псевдокарстовых форм рельефа в лессовых породах, резко выделяется его из всего многообразия псевдокарстовых явлений, происходящих на современном этапе техногенного развития рельефа Земли, своей быстротечностью и стремительностью.
Ввиду большого количества предложенных терминов для обозначения изучаемого нами явления мы выбрали наиболее целесообразный - «лессовый псевдокарст». Этот термин подчеркивает связь процессов с лессами (породой, имеющей очень широкое распространение). Термин уже вошел в научную и нормативную литературу.
Под лессовым псевдокарстом мы понимаем результат гидромеханического, гравитационного, биологического и физико-химического зонального разрушения недоуплотненных лессовых пород при их избыточном (как правило, техногенном) увлажнении, приводящий к образованию форм рельефа очень напоминающих типичные карстовые (пещеры, провалы, воронки, колодцы, овраги, цирки и др.). Подобный процесс характерен лишь для лессовых пород, т.е. для пород с особым составом и свойствами, распространенных в ландшафтах определенного типа.
Медленное, площадное повышение влажности лессовых пород при их высокой пористости, вызывает просадку и исключает развитие псевдокарста. Замачивание основания будущего сооружения до начала строительства продолжается десятки суток, с постоянным контролем качества замачивания и изменения плотности грунта Если же замачиваемый котлован имеет трещины, ходы землероев и корней ксерофитной растительности или другие полости, в которые возможно проникновение воды, начинается развитие лессового псевдокарста. Для этого необходима циркуляция водного потока по трещинам, ходам землероев и вдоль корней растительности, имеющей мощные основные корни, проникающие в глубину лессового массива на десятки метров.
Влияние гидродинамического давления воды на переориентировку минеральных частиц возникает только при больших градиентах и длительных сроках фильтрации (десятки суток) небольшого количества воды. Вертикальное турбулентное движение потока воды способствует отрыву частиц лессовой породы н выносу их в нижние горизонты лессов, вызывая формирование подземных псевдокарстовых полостей, а на поверхности массива осадку и уплотнение. Вынос частиц лессовой породы происходит до тех участков, где преобладает слабонаклонное ламинарное движение воды, к месту разгрузки, которым, как правило, является тальвег более крупного водотока При переходе движения потока воды в слабонаклонное энергия резко уменьшается и в месте разгрузки частицы грунта укладываются с более высокой плотностью в виде небольшого конуса выноса.
Как правило, объем вынесенного материала несравнимо меньше объема образующихся в результате псевдокарстования пустот. В отличие от просадки, первоначальная площадь развития лессового псевдокарста
небольшая, так как вода циркулирует по вертикальным ходам небольшого диаметра и не смачивает массив целиком.
Во второй главе рассматриваются лессовые породы, как среда формирования лессового псевдокарста. Это дисперсные грунты, физико-механические свойства которых являются функцией генезиса и современных условий их существования. Свойствами грунтов определяется стоимость, инвестиционная привлекательность, сроки и целесообразность современного строительства. Так, при строительстве на просадочных грунтах стоимость повышается до 10% по сравнению с непросадочными, а строительство на площадях, пораженных псевдокарстом, увеличит эту цифру в несколько раз. Более того, для надежного проектирования, строительства и эксплуатации сооружения, помимо существующих свойств грунтов, необходимо предвидеть их изменения в процессе хозяйственной деятельности человека.
Анализ минералогического состава лессовых пород показал, что основная масса присутствующих в них минералов представлена труднорастворимыми соединениями - кварцем и полевыми шпатами. Такие относительно «легко» растворимые соединения, как кальцит, доломит и гипс составляют не более 25%. Количество СаС03 в пораженных псевдокарстом породах обычно не превышает 15-16%. Количество водно-растворимых соединений (по данным водных вытяжек) в лессовых породах обычно небольшое и не превышает 1,5 % от веса породы.
Лесс характеризуется высоким содержанием крупнопылеватой фракции (0,05-0,01 мм) до 65%, что показывает: эта порода формировалась и существует до настоящего времени в условиях сухого климата, где преобладает физическое выветривание и разрушение пород идет лишь до размеров мелкой пыли.
Для формирования лессового псевдокарста оптимальные условия имеются в относительно рыхлых и не сильно упрочненных разностях лесса с низкой (менее 12%) весовой влажностью. Для пораженных псевдокарстом пород характерно значение модуля деформации, как правило, не превышающее Е = 20 - 30 МПа. Относительная просадочность изменяется от 0,001 до 0,152. Скорость размокания основной массы (70%) исследованных образцов лессовых пород, отобранных с участков, пораженных псевдокарстом, характеризуется как очень быстрая (90% объема образца размокала в интервале от 1 до 30 минут). Коэффициент фильтрации лессовых грунтов в верхней 5 метровой части толщи достигает иногда 1,2 м/сут, при среднем значении около 0,6 м/сут.
Формированию псевдокарста способствует высокая пористость породы, достигающая значений 50% и даже 57%. При увеличении влажности пористость и деформационные характеристики породы резко падают. Отмечено, что если количество СаС03 более 20%, а влажность более 15%, лессовый псевдокарст формируется неактивно.
В третьей главе рассмотрена концептуальная модель формирования лессового псевдокарста. Классификация разнообразных подземных и поверхностных форм лессового псевдокарста впервые приведена
Н.И.Кригером (1975). С дополнениями, основанными на многолетнем опыте изучения автором псевдокарста в Таджикистане, Узбекистане, России и Китае, она может быть представлена в следующем виде (рисунок 1).
Рисунок 1 - Классификация псевдокарстовых форм рельефа.
Исследование псевдокарста с использованием космических и аэрофотосъемок выявило интересные особенности: как правило, вершины псевдокарстовых оврагов в лессах, в плане имеют форму подков или цирков. Таким образом, на космических снимках при увеличении масштаба достаточно хорошо различаются псевдокарстовые и типично эрозионные формы рельефа. В плане эти формы рельефа достаточно хорошо выделяются своей «ажурностью», объединяясь в кружевные зигзагообразные образования. На аналогичные формы рельефа указывает И.П.Матвеев(1969). Особое место в формировании лессового псевдокарста и эволюции вертикальных лессовых откосов принадлежит подсклоновой нише, формирующейся в основании лессовых откосов (Лаврусевич, 1987).
По условиям образования и воздействия природных и техногенных факторов можно выделить следующие типы лессового псевдокарста:А -обусловленные особенностями рельефа земной поверхности: А1. придолинныи; А2. придолинно-балочный или промежуточный; АЗ. балочный или саевый; А4. приуроченный к откосам; и В - обусловленные особенностями структуры лессового массива связанные: В1. с подземной экскавацией лессов; В2. с оползнеобразованием; ВЗ. с просадочностью. Сказанное можно представить в виде дендрограммы типов лессового псевдокарста выделенных по условиям развития (рисунок 2).
Рисунок 2 - Классификация типов лессового псевдокарста в зависимости от условий его развития.
Динамика формирования лессового псевдокарста. Рассматривая лессовый псевдокарст как результат силового воздействия движущихся сначала поверхностных, а затем подземных вод на дисперсные породы можно отметить следующие необходимые условия (Ломтадзе, 1977, Тер-Мартиросян, 2011): 1 - структурно-текстурную неоднородность горных пород (для лессов наличие трещин, ходов землероев, корнеходы и др.);
2 - достаточную гидродинамическую силу водного потока;
3 - наличие области выноса разрушенных и перемещаемых пород.
Стадии деградации лессового массива можно представить в виде сигмоиды, которая представляет собой гладкую монотонную нелинейную образную функцию, описанную как экспоненциальная сигмоида функции
Ферми в виде: у = К(Т) = -
К,
К\
- Унна
где К\ и К2
К 2 + 1 Кг +е
поправочные коэффициенты, позволяющие получить начальные и конечные (граничные) значения V.
К
У=
<
А - -Р-П
К+е
Рисунок 3 - График отображающий динамику разрушения некоторого объема V лессового массива в природных условиях (синий цвет) и при техногенном влиянии (красный цвет) за время Т, где А- активная, Р - реактивная (латентная(а) и экспрессивная(э) подстадии), П - полная и К - конечная стадии процесса. Увеличение углов наклона приведенных кривых,
характеризует значительное увеличение
скорости процесса и соответственно сокращение времени от активной до
конечной стадий формирования псевдокарста (таблица 1).
Таблица 1 - Стадии псевдокарстового разрушения лессового массива.
СТАДИИ ПСЕВДОКАРСТОВОГО РАЗРУШЕНИЯ ЛЕССОВОГО МАССИВА
Активная стадия Реактивная стадия Полная стадия Конечная стадия
Латентная подстадия Экспрессивная подстадия
Инфильтрация и турбулентное проникновение поверхностных вод в лессовый массив. Формирование подземного эрозионного хода Скрытое протекание процесса подземной эрозии. Расширение подземного хода Проявление псевдокарстов ых форм на поверхности лессового массива в виде воронок, провалов, колодцев Проявление на поверхности массива больших форм псевдокарста и большей части малых Деградация лессового массива. Значительные снижения гипсометрическ их отметок. Остаточные формы псевдокарста
Формирование лессового псевдокарста в своей активной стадии представляет собой массоперенос разрушенных лессовых пород, формирующий зоны разуплотнения в массиве. В реактивной стадии дополнительно проявляются процессы оседания поверхности, локальное уплотнение пород, провалообразование, формирование оползней, донная и боковая эрозия и др.
В полной стадии происходит выход практически всех подземных псевдокарстовых форм на поверхность. Массив осложнен многочисленными большими и малыми формами псевдокарста, разбит сформированными псевдокарстовыми оврагами. В конечной стадии значительно изменяется рельеф, гипсометрические отметки существенно изменяются, из псевдокарстовых форм рельефа преобладают остаточные (стены, останцы, мосты и др.).
На формирование лессового псевдокарста оказывают влияние широкий комплекс факторов. Рельеф — (наличие лессовых пород поднятых на достаточную высоту над местным базисом эрозии) и неравномерное выпадение атмосферных осадков - климатический фактор.
Климат — способность лессовых пород к псевдокарстованию сохраняется только там, где радиационный индекс сухости ИЛг больше 1, где Я -радиационный годовой баланс ккал\см2 , 1 - скрытая теплота испарения ккал/г, г - годовая сумма осадков г/см2, что позволяет рассматривать лесс и его особые свойства (способность к псевдокарстованию) как явление закономерное в планетарном масштабе.
Биологические факторы - большое значение для формирования лессового псевдокарста имеет жизнедеятельность животных, а также высших и низших растений. Это влияние может сказываться как в направлении
интенсификации процесса разрушения лессового массива, так и в направлении его сдерживания. Например, корни Robinia pseudoacacia L. принадлежащей семейству бобовых, род Робиния, проникают в лессовый массив на глубину до 25- 30м, «армируя» лессовые склоны. Однако, если растение по тем или иным причинам погибло, то оставшийся после разложения корня вертикальный ход будет являться идеальным водоводом до глубины 30м, что будет способствовать формированию псевдокарста. Сильно изменяет инженерно-геологические свойства лессовых грунтов развитие почвенной фауны(черви, мокрицы, муравьи, термиты и др.). Важнейшее значение в развитии псевдокарста принадлежит деятельности землероющих животных, чрезвычайно распространенных в пределах развития лессовых пород. Иногда на некоторых участках, образуется скопление до 24 кротовин на 1м2, что способствует быстрому перемещению воды из верхних слоев в нижние (Ларионов и др.1959).
Почвенные микроорганизмы в результате своей жизнедеятельности образуют плотную известковистую защитную корочку на поверхности псевдокарстовых образований, что препятствует растеканию воды в подземных формах псевдокарста, и вода движется концентрированным потоком, обладая большой кинетической энергией. Основными составляющими микроорганизмов являются: а)бактерии; б)грибы; в)актиномицеты; г)водоросли.
Важную роль в устойчивости лессовых массивов играет отгонное овцеводство. Проходя по территориям, занятым лессовыми адырами, скот поедает и вытаптывает не только наземную часть растения, но, нередко, и корневую систему, чем активно способствует появлению лессового псевдокарста.
В четвертой главе рассмотрены понятие техногенеза, его основные черты и влияние на лессовый псевдокарст. Для обозначения земной геосферы, в которой происходят процессы, связанные с деятельностью человека, исследователи используют термины ноосфера, техносфера и другие. Ноосферой обозначают по Э.Леруа(1930), Тейяру де Шардену(1965) и В.И.Вернадскому(1977) сферу разумной деятельности человека, или, по Ю.П.Трусову (1968), особым образом организованную сферу взаимодействия природы и общества, в которой природные процессы направляются сознательно и целесообразно. В.И.Вернадский считал, что человечество неизбежно придет к созданию ноосферы.
Ф.Я.Шипунов(1980) считает, что в современный исторический момент техногенез развивается преимущественно за счет дезорганизации биосферы. Перед человечеством стоит глобальная задача резко изменить ход процессов в Метасистеме: Человек-Общество-Техника- Среда. К сожалению, несмотря на то, что человечество перевалило рубеж XXI века, переход в ноосферу до сих пор представляется достаточно эфемерным.
Техногенезом называется деятельность человека, человеческого общества, вооруженного техникой и преобразующего окружающую среду. Понятие о техногенезе было введено А.Е.Ферсманом(1934) и первоначально
относилось только к изменению среды геохимическими процессами в результате деятельности промышленности. В работах последующих исследователей термин "техногенез" понимается более широко, включая разнообразные виды воздействия общества и техники на природную среду (М.АХлазовская, А.А.Григорьев, В.К.Епишин, Л.Г.Кофф, И.В.Лазарева, К.И.Лукашев, 3.А.Сваричевская, С.А.Таранов, Е.В.Шанцер, П.Ф.Швецов и другие).
А.Е.Ферсман предложил термин "техносфера" для обозначения пространства, в котором развиваются техногенные процессы (вспомним о засорении околоземного пространства космическим мусором). В.И.Вернадский, вслед за П.Тейяром де Шарденом, называет это пространство ноосферой. В.И.Вернадский представлял себе рождение ноосферы, т.е. переход биосферы в ноосферу, как ускоряющийся геологический процесс.
В настоящее время множество наук пронизывается учением о техногенезе. По нашему мнению, должен существовать целый комплекс научных дисциплин, изучаюицгх данный вопрос, объединенных в единое эмпирическое учение о метасистеме и техногенезе. Нам кажется, что геоэкология как комплексная наука обьдиняющая знания об экологических проблемах геосфер и нацеленная на обеспечение выживания человечества, наилучшим образом должна выполнить эту задачу. Классическая экология, пока занимающаяся изучением взаимосвязи живых организмов и окружающей среды, нуждается в расширении и охвате неживых объектов. Экологическими функциями литосферы, закономерностями их формирования, ее пространственно-временными изменениями под влиянием техногенеза в последние десятилетия занимается новое направление геологических наук - экологическая геология (Трофимов,2009).
Специалисты, практически занимающиеся инженерными изысканиями для строительства, за последние годы все больше внимания уделяют учету физико-географической обстановки района возведения сооружения. В связи с этим возрастает внимание к теоретическим вопросам техногенеза.
Главнейшими факторами техногенеза являются: человек, человеческое общество, техника и "окружающая среда".
В настоящее время техногенез - процесс, в глобальном аспекте, практически неуправляемый, он протекает на разных иерархических уровнях, среди которых можно условно выделить локальный, региональный и глобальный уровни. Изученность взаимосвязи техногенных процессов на разных иерархических уровнях до сих пор остается слабой. При изучении геологического аспекта техногенеза в ряде случаев могут быть приняты следующие главнейшие причины современных форм техногенеза:
а)ускоряющийся рост численности человеческого населения на планете ( в 2011г человечество перевалило семимиллиардный рубеж);
б)геологически длительный процесс эволюции организмов и цефализации, т.е. эволюционного усложнения центральной нервной системы позвоночных, что привело (около 40 тыс. лет назад) к формированию Homo sapiens;
в)формирование и развитие современного (потребительского) общества, смена общественных формаций, труд человека, рост потребления и эксплуатация природных ресурсов;
г)развитие техники и сильно выросшие технические возможности общества.
В результате этих процессов за последние десятилетия не
сформировалось соответствия между ограниченными эксплуатируемыми природными ресурсами, возрастающими потребностями общества и растущей мощью техники. Возникшее противоречие усиливается бесплановостью мирового хозяйства, стихийным стремлением потребительского общества к беспорядочному и хищническому использованию природных богатств, в целях быстрейшего роста капитала, экономическими кризисами, недостаточной подготовленностью психологии населения Земли к охране среды и природных богатств, напряженной международной обстановкой и почти непрерывными войнами.
Стихийная саморазвивающаяся метасистема, образованная человеком, обществом, техникой и окружающей средой приводит к кардинальным сдвигам в планетарно-стабильном состоянии Земли. Сложность этой Метасистемы создает огромные трудности прогноза ее развития. Однако, критически рассматривая прошлое и настоящее биосферы, появляется возможность представить и дать предварительную оценку сценария будущего. Даже если система находится в крайне критическом состоянии, но ее энергетический запас еще не до конца использован, она имеет высокую вероятность преодоления этого кризиса и возврата к функционированию в нормальном режиме (Величко, 1993).
Техногенез как основной фактор формирования лессового псевдокарста. Лесс, обладая комплексом специфических свойств, может сохранить их лишь в определенной природной обстановке, где рельеф, температура, количество атмосферных осадков, интенсивность их выпадения и т.д., остаются в течение тысяч лет относительно постоянными, изменяются в определенных диапазонах, не превышая той критической отметки, за пределами которой равновесие нарушается (пример - дефиле дорог в лессовых массивах Китая высотой более 30 м описанные еще Ф.Рихтгофеном в конце XIX века). Безусловно, нарушение сложившегося природного равновесия в связи с действием рассмотренных факторов происходит и в естественных условиях, что вызывает проявление целой серии сложных геологических процессов. Однако, в природе это происходит сравнительно редко и длится недолго. Поэтому в естественных условиях лессовые массивы редко поражены псевдокарстом, скорость его развития небольшая и он редко достигает больших размеров.
Во много раз активнее протекает процесс образования лессового псевдокарста под влиянием техногенной деятельности человека. После обследования нескольких тысяч проявлений лессового псевдокарста в Средней Азии, Китае и России автор пришел к выводу, что основным провоцирующим фактором развития лессового псевдокарста является техногенез. Строительство сопровождается экскавацией лессовых грунтов,
нарушением верхней задернованной части, нарушением влажностного режима лессовых массивов, повышением уровня грунтовых вод. Создание каскада водохранилищ и строительство тоннелей позволили подавать воду на площади, сложенные лессами, никогда ранее не получавших искусственное орошение. Освоение новых земель сопровождается прокладкой густой сети автомобильных дорог, оросительных систем, жилых поселков, промышленных сооружений. Однако, до настоящего времени эксплуатация сооружений и орошаемых земель идет без учета интенсивности развития лессового псевдокарста и последующего риска.
Например, в Таджикистане, при обследовании 324 гидротехнических сооружений введенных в эксплуатацию, 30 (9,3%) были полностью разрушены в течение первых 2-3 лет эксплуатации, 56 (17,3%) находились в аварийном состоянии и требовали капитального ремонта, 87 (26,8%) нуждались в текущем ремонте и лишь 151 (46,6%) находились в нормальном рабочем состоянии.
При искусственном орошении вода обычно подводится к полям путем строительства магистральных и распределительных каналов, а на самих полях прокладывается густая сеть поливных борозд. Полив по бороздам, т.е. самотечным способом, наиболее благоприятным для развития лессового псевдокарста, осуществляется в Таджикистане на 517 из 720 тыс.га. В пределах Яванской долины широкое применение получила открытая лотковая сеть подачи воды на карты орошения. Однако, малейшие утечки из железобетонных лотков мгновенно приводят к развитию псевдокарста. Так, из-за некачественной стыковки лотков резиновыми прокладками началась утечка воды, и в течение суток, пока не прекратили подачу воды, сформировался овраг протяженностью 25м, глубиной более 5м и шириной около 8м. Можно выделить три основные причины развития лессового псевдокарста на орошаемых площадях:
1.неотлаженный механизм водопотребления;
2.превышение норм полива;
3.нерегулируемый сброс излишков поливных вод.
Например, основной причиной развития придолинного типа псевдокарста является неправильно организованный сброс излишков воды до местного базиса эрозии. Практически повсеместно отмечается отсутствие элементарной гидротехнической культуры. Необходимо широкое применение гидротехнических методов гашения энергии потока при сбросе излишков воды с полей орошения.
По наблюдениям автора, количество псевдокарстовых форм, возникших в результате нарушения сложившегося природного равновесия человеком, в 13 раз превышает количество псевдокарстовых форм образовавшися в естественных условиях. Анализ псевдокарстовых форм рельефа Лессового плато в Китае позволяет увеличить эту цифру минимум на один порядок.
В пятой главе показана опасность лессового псевдокарста для различных видов хозяйственной деятельности. Предложена методология по оценке опасности, уязвимости лессовых массивов и степени геологического
риска при развитии лессового псевдокарста. Рассмотрены критерии опасности лессового псевдокарста (пораженность территории, скорость развития, изменение свойств лессовых пород, индуцированные геологические процессы и общее снижение гипсометрических отметок массива). На примере Яванской долины автор выполнил фрактальный анализ развития лессового псевдокарста.
При освоении лессовых территории необходимо показать уровень опасности лессового псевдокарста, который зависит как от степени опасности самого псевдокарстового процесса, так и от степени уязвимости лессовой территории.
Обоснование уровня опасности лессового псевдокарста производится на основании данных инженерных изысканий. Оценка опасности лессового псевдокарста является основной задачей прогноза развития псевдокарста на данной территории сложенной лессовыми породами.
Анализ результатов исследований факторов поражения территории лессовым псевдокарстом позволяет рекомендовать следующие основные показатели опасности, ранжированные по степени важности 8] (от 0,1 до 0,9): 1) пораженность территории лессовым псевдокарстом; 2) скорость развития лессового псевдокарста; 3) изменение свойств лессов слагающих массив в результате развития лессового псевдокарста; 4) изменение гипсометрических отметок поверхности лессового массива; 5) индуцированные опасные геологические процессы. Каждый из показателей оценивается по следующей порядковой шкале: 0 - безопасное состояние; 1 - малая степень опасности; 2 - средняя степень опасности; 3 - большая степень опасности.
Таким образом, каждому конкретному инженерно-геологическому объекту (территории) поставлен в соответствие 5-ти мерный вектор ранжировок, характеризующий уровень опасности лессового псевдокарста. Как известно, вектора в пространствах размерности больше 1 не могут быть упорядочены естественным образом, поэтому для возможности упорядочивания инженерно-геологических объектов по уровню опасности, необходимо использовать один из искусственных приемов их упорядочивания.
В настоящей работе предлагается использовать метод идеальной точки Вержбицкого, основная идея которого заключается во введении одной или нескольких идеальных точек в многомерном пространстве и упорядочиванию векторов, характеризующих уровень опасности, по специально введенной функции расстояния от конкретной точки в многомерном пространстве до априори заданой идеальной точки. Надо отметить, что данный подход хорошо зарекомендовал себя при решении подобного рода задач по оценке геологического риска для г. Москвы (Рекомендации...2002).
Введем безразмерный коэффициент опасности Л0, который должен отражать то место рассматриваемого процесса на данной территории, которое он занимает между «идеальным» вариантом (Я^=0) и «негативно-идеальным» вариантом {Л""~ц* =1).
Тогда функция расстояния (интегральный критерий уровня опасности) может быть вычислена как
N 1=1
где 51 - коэффициент значимости ¡-го показателя опасности (значение устанавливаемое экспертом-аналитиком от 0,1 до 0,9 ); а. - значение балла ¡-го показателя опасности; кцорл - нормирующий множитель, приводящий к
0 - А> -1 •
Итоговый результат этой методики может быть представлен в виде таблицы 2.
Таблица 2 (фрагмент). Оценка коэффициента опасности Л0 поражения территории лессовым псевдокарстом (£„„,,, =0.0980)
код ОПАСНОСТИ К Код ОПАСНОСТИ К Код ОПАСНОСТИ К Код ОПАСНОСТИ К
00000 0,0000 03221 0.4902 13333 0.8431 23333 0.9216
00002 0.1765 03310 0.4216 20002 0.3333 30002 0.4118
00131 0.2647 03332 0.6765 20131 0.4216 30131 0.5000
00023 0.3431 03333 0.7647 20023 0.5000 30023 0.5784
Аналогичным образом, с использованием метода идеальной точки Вержбицкого, можем быть произведено упорядочивание инженерно-геологических объектов по степени уязвимости лессовым псевдокарстом: Таблица З(фрагмент). Оценка коэффициента уязвимости уу территории
(^=00758)
Код V, Код V, Код V, Код V
уязвимое Уязвимо уязвимое уязвимое
ти сти ти ТИ
00000000 0,0000 00020101 0,1515 00220101 0,2273 10220101 0,2955
00000002 0.0455 00020120 0,1894 00220120 0,2652 10220120 0,3373
00000013 0,0985 00020133 0,2879 00220133 0,3636 10220133 0,4318
00000021 0,0833 00020202 0,2121 00220202 0,2879 10220202 0,3561
Коэффициент риска поражения территории лессовым псевдокарстом определяется следующим образом:
Для территории, по которой проведено районирование по степени опасности и уязвимости, коэффициент риска поражения лессовым псевдокарстом территории /?„ определяется по формуле:
= ——--где 50- площадь территории, для которой определяется
к
коэффициент риска поражения лессовым псевдокарстом Д„, , к -
число разбитых участков площади S0 на непересекающихся между собой площадях S,, для которых оценены и известны коэффициенты опасности поражения лессовым псевдокарстом Я0, и уязвимости поражения лессовым псевдокарстом vy:.
Лессы плащеобразно покрывают около 10 % поверхности более древних пород материковой части Земли. Только Антарктида свободна от лессового «одеяла». Классическим местом распространения лессовых пород безусловно является Центральная, Средняя Азия и Китай. Картируя распространение лессов и псевдокарста, можно получить представление о степени развитии данного явления, скорости развития, оценить ущерб и инвестиционную привлекательность той или иной территории.
С точки зрения изучения опасности лессового псевдокарста наибольший интерес представляет Лессовое плато, где мощность отложений составляет более 500м (Ли Сы-гуан,1959). Освоение Лессового плато началось более 3000 лет назад до нашей эры. Автор приводит расчет разрушения Лессового плато в результате техногенеза. Говоря о сильной разрушенности Лессового плато, необходимо отметить, что именно лессовый псевдокарст, толчком, для развития которого явился техногенез, стал причиной первичного нарушения целостности лессовых массивов. Эрозия же в полной мере подключилась к его разрушению несколько позже.
Освоение Лессового плато привело к практическому уничтожению его природного растительного покрова (Cook at al.,2000). Расширение обрабатываемых земель усилило псевдокарстово-эрозионное разрушение плато. В период династии Хань (221г. до н.э. - 206г. н.э.) были выжжены огромные пространства в данном регионе. Основная цель этого мероприятия - контроль за передвижением монгольских кочевников, регулярно нападавших на сельскохозяйственные районы (Veeck at al.,1995). Началось активное псевдокарстово-эрозионное разрушение лессовых массивов. Ежегодно река Хуанхэ выносит в пределы Великой Китайской равнины более 1км3 разрушенных лессов. Если принять во внимание, что человек начал активное освоение Лессового плато за 3 тыс. лет до н.э. и продолжает это делать в течение 2 тыс. лет нашей эры, то у Лессового плато остается около 45 тыс. лет для существования. С точки зрения продолжительности человеческой жизни это огромный промежуток времени. В плане же масштабов геологического времени это составляет всего лишь мгновение.
Таджикистан- уникальный регион, где 93% территории - горы. Поэтому освоение выровненных территорий долин привело к заметному увеличению площади орошаемых земель. В ходе освоения земель под орошение было вырублено много лесов, что в ряде районов вызвало мощную эрозию склоновых земель и берегов рек.
Известно, что потери воды при транспортировке составляют до 2025%, при допустимой норме 3-5%, что является прямым следствием низкой эффективности оросительных каналов и прочих водохозяйственных сооружений, коэффициент полезного действия которых находится в пределах
0,55-0,65 (Лессовые породы...,2010). Несовершенство оросительных систем приводит к развитию ирригационной эрозии, которая провоцирует развитие псевдокарста. Яванская долина - типичный пример развития эррозии и пседокарта в результате техногенеза. Более 7 тысяч гектаров орошаемых земель Яванской долины, а это более 27% всех орошаемых земель долины, подвержены процессам оврагообразования. Развитие псевдокарстового оврага в природных условиях продолжается на протяжении сотен лет, и распространено в основном в необжитых районах. При техногенезе крупный псевдокарстовый овраг может развиться за 2-3 года, нанося значительный ущерб всем отраслям хозяйства, связанным с землепользованием. До освоения Яванской долины и пуска вод реки Вахш для орошения в конце 60-х годов XX века было выявлено 25 оврагов общей протяженностью 15км. Через 40 лет после начала освоения зафиксировано 320 оврагов общей протяженностью уже 55км.
В результате перерасхода потребления воды, как при сельскохозяйственном использовании, так и в промышленности и сфере ЖКХ, нецивилизованного сброса излишков воды до местных базисов эрозии, несвоевременного принятия мер к устранению утечек и подачи воды в республике ежегодно выводятся из оборота тысячи гектаров ценнейших поливных земель, разрушаются здания и сооружения.
Автором проведена оценка пораженное™ лессовых территорий псевдокарстом. Составлены карты «Пораженное™ Яванской долины» и «Юго-Западного Таджикистана», на которых выделены 5 типов территорий по степени пораженное™ псевдокарстом, которые характеризуются коэффициентом площадной пораженное™ Кпп (отношение площади поверхностных псевдокарстовых форм к площади массива в1га)(таблица 4). Таблица 4 - Оценка пораженное™ территории лессовым псевдокарстом.
Оценка пораженности территории лессовым псевдокарстом
Кпп Характеристика развития поверхностных форм лессового псевдокарста
<0,003 участки практически свободные от проявления лессового псевдокарста
0,003-0,01 участки, мало подверженные воздействию лессового псевдокарста, провалы небольшого диаметра, цепочки воронок, колодцы
0,01-0,1 участки, средней подверженности воздействию лессового псевдокарста, широко развиты малые формы (провалы, воронки, траншеи, колодцы, поноры и др.)
0,1-0,5 участки сильно подверженные воздействию лессового псевдокарста, широко развиты большие псевдокарстовые формы (провальные овраги и цирки)
>0,5 участки псевдокарстового бедленда, помимо широкого развития больших и малых псевдокарстовых форм, широко развиты остаточные формы рельефа: мосты, останцы, стены, столбы и др.
Необходимость оценки этих площадей с инженерно-геологической точки зрения определяется тем, что при планировании использования территории под промышленное и гражданское строительство или
сельскохозяйственное освоение важно учитывать степень пораженности
лессовым псевдокарстом того или иного массива (рисунок - 4).
Рисунок 4 - Схематическая карта пораженности
лессовым псевдокарстом Юго-Западного Таджикистана. 1 - Кпп~0 (территории свободные от псевдокарста, хребты и выходы скальных пород); 2-Кпп<0,003; 3 - Кпп0,003-0,01; 4 - КппО,01-0,1; 5 - Кпп 0,1-0,5; 6-Кпп>0,5.
В основу «Схеметической карты распространения псевдокарста на территории России» (рисунок 5) положена «Карта суффозионных процессов» В.П.Хоменко (2003). Помимо этого автор использовал «Карту прогноза просадочности территории распространения лессовых пород СССР», масштаба 1:2 500 000 под редацией Е.М.Сергеева (1986г.).
2 - область распространения псевдокарста в скальных породах; 3 - область распространения псевдокарста в лавовых потоках; 4 - область распространения псевдокарста в глинистых породах (глинистый псевдокарст); 5 - область весьма ограниченного распространения псевдокарста в лессовых породах (лессовый псевдокарст); 6 - область широкого распространения псевдокарста в лессовых породах (лессовый псевдокарст); 7 - II тип просадочности, реже I; 8 - II и I тип просадочности; 9 - I тип просадочности. реже II; 10- районы интенсивного развития псевдокарста техногенного (а) и природного (б) происхонедения.
Рисунок 5 - Схематическая карта распространения псевдокарста на территории России.
Принцип построения карты заключался в выделении территорий, где различные типы псевдокарста приурочены к определенным типам горных пород и определенным генетическим типам их псевдокарстового разрушения. Например, выделенный на полуострове Камчатка псевдокарст в вулканичеких метаплагиафировых лавах позволил нам указать на карте это место как область распространения псевдокарста в лавовых потоках (область 3 - обозначена на карте черным цветом). Крапом нанесены области распространения лессовых пород I и II типов просадочности. Представленные на карте внемасштабные знаки (квадраты красного и синего цветов) показывают достоверные места развития того или иного типа псевдокарста при техногенной нагрузке и в природных условиях.
На карте четко прослеживается значительное преобладание проявлений техногенного псевдокарста (красные квадраты) над природным (синие квадраты). Синие квадраты, характеризующие развитие псевдокарста природного пороисхождения, тяготеют в основном к регионам развития вечной мерзлоты и скальных пород, где техногенный псевдокарст развит меньше. Карта показывает общую картину распространения типов псевдокарста и, в частности, лессового псевдокарста на территории России.
Возрастание опасности лессового псевдокарста в связи с развитием других геологических процессов. Лессовый псевдокарст нередко встречается в парагенезисе с другими геологическими процессами, провоцируя их проявление или выступая в роли сопутствующего процесса. При поражении лессового массива псевдокарстом нарушается его целостность, увеличивается влажность, происходит разуплотнение лессовых пород. Все это играет существенную роль при воздействии на лессовый массив других процессов.
Автором отмечены многочисленные факты, когда различные геологические процессы провоцировали развитие псевдокарста и наоборот, когда псевдокарст первоначально развитый в лессовом массиве, способствовал развитию того или иного геологического процесса, что приводило к их активизации.
Так, рассматривая прибрежную зону Нурекского водохранилища как объект, пораженный лессовым псевдокарстом, было отмечено, что лессовый псевдокарст способствует активизации переработки его берегов. Скорость отступания береговой линии в местах, пораженных лессовым псевдокарстом, увеличилась в 3 раза, лессовый псевдокарст спровоцировал возникновение суффозионного оползня, а двусторонняя абразия нарушенного псевдокарстом полуострова привела к формированию очень своеобразных остаточных форм псевдокарстового рельефа (останцовой гряды, а также аналога остаточной формы рельефа - стены, разделяющей два псевдокарстовых оврага). Показательным является оползень, образовавшийся 23 января 1989 г на территории Гиссарского района Таджикистана, когда в результате
сейсмических толчков произошло смещение оползневых масс общим объемом более 50 млн. м\ которые практически полностью завалили кишлаки Шарора и Окули-Пойон (были многочисленные человеческие жертвы). В местах смещения пород в виде жидкой грязевой массы язык оползня растянулся более чем на 2,5 км. Проведенный анализ показал, что данная площадь была поражена лессовым псевдокарстом (при обследовании района на десятках гектаров были встречены проявления лессового псевдокарста: воронки, колодцы, провалы). Массив местами разбит достаточно густой сетью псевдокарстовых ходов (иногда до глубины 15-20м). Ежегодное обводнение склонов (водоводные арыки проложены в верхней и нижней частях склона), строительство серии водоподъемных насосных станций и неконтролируемые утечки привели к тому, что грунты оказались достаточно водонасыщенными (влажность АУ более 18-22%) и, в момент сейсмических колебаний (7 баллов по шкале МБК-64) высокой частоты, грунт перешел в разжиженное состояние и в виде грязевого потока «вылился» на ниже расположенные кишлаки.
Применение фрактального анализа для оценки опасности лессового псевдокарста (на примере Яванской долины). В последние десятилетия XX века и в начале XXI, в естествознании широкое распространение получили идеи нелинейной динамики. Рассматривая лессовый псевдокарст как комплексное явление, приводящее к деградации лессовых массивов, необходимо осуществить анализ состояния объекта, выявить обусловленность формирования лессового псевдокарста целым набором природных и техногенных факторов. Для этого целесообразно использование особой методики, которая позволила бы анализировать лессовый псевдокарст с учетом динамики его формирования. При этом надо иметь в виду, что, для природных объектов характерна не целочисленная, а дробная размерность. Фрактальный анализ как раз и является таким математическим инструментом, который позволяет оценить характер самоподобия псевдокарстовых форм и определить его фрактальные свойства.
Например, у прямой, фрактальная размерность будет равняться 1. Чем более "изломанным" будет фрактал, тем ближе размерность его будет к 2, что характеризует степень пораженности местности поверхностными формами псевдокарста и степенью опасности. Однако, при данном методе не учитываются многочисленные подземные, не проявившиеся в активной стадии подземные формы лессового псевдокарста. Это необходимо учитывать, вводя соответствующий поправочный коэффициент Рк. Определив коэффициент фрактальной размерности развития лессового псевдокарста на картах Яванской долины в 1970г. (начало орошения), как 0=1.27, а в 1989 г. (спустя 16 лет после начала орошения), как 0=1,67, и в 2012 г. как Э=1,78 удалось отчетливо проследить динамику формирования лессового псевдокарста и установить факт возрастания геологической опасности и риска по мере увеличения коэффициента фрактальной размерности. Наглядно это демонстрируют карты пораженности Яванской долины 1970, 1989 и 2012 годов (рисунок 6).
Условные обозначения:
Коаффициент площадной лоражанности Кпп <0,003
Коэффициент площадной пораженное™ Кпп от 0,003 до 0,5 и более
Населенные пункты
Рисунок - 6. Динамика развития лессового псевдокарста Яванской долины. Развитие псевдокарстово-эрозионной сети: А) в 1970 г Б=1 27' Б) в 1989 г. 0=1,67; В) в 2012 г. Б=1,78
В шестой главе показан ущерб, социально-экономические и экологические последствия формирования лессового псевдокарста. Приведены позитивные и негативные примеры хозяйственного освоения территорий развития лессового псевдокарста и даны рекомендации по локализации и предотвращению его формирования
Парадоксально, но в проявлении псевдокарста есть позитивные моменты. Однако, это может происходить только в случае природного происхождения псевдокарста, когда этот феномен наблюдается на малоосвоенных и незастроенных территориях. Рассматривая этот случай, можно вспомнить о пещерах псевдокарстового происхождения, имеющих эстетическую, научно-позновательную и реакреационную ценность. За рубежом широко известна псевдокарстовая пещера в лессах на левом берегу Дуная близ деревни Сурдук в Воеводине(Сербия), где режиссер Эмир Кустурица снял несколько сюжетов для своих фильмов (ЬиНс Т, Маг ко VI с Б е! а1).
Однако, рассматривая взаимодействие псевдокарста со сферой человеческой жизнедеятельности, можно явно видеть отрицательные доминирующие последствия. Дадим краткий перечень основных факторов отрицательного воздействия псевдокарста на лессовые массивы: 1.ухудшаются прочностные и деформационные характеристики лессовых грунтов;
2.за счет развития подземных и поверхностных форм псевдокарста значительно увеличивается проницаемость лессового массива;
3.при формировании псевдокарста на сельскохозяйственных территориях значительно повреждаются посевы, происходит смыв удобрений и пестицидов, снижается плодородие;
4.при активной псевдокарстово-эрозионной деятельности происходит расчленение лессовых массивов крупными оврагами, что приводит к невозможности их дальнейшей обработки механизированным способом, что приводит к постепенной деградации данных участков землепользования;
5.при поражении лессового массива псевдокарстом происходит заиление оросительных и дренажных систем, чистка которых приводит к формированию линейно вытянутых техногенных форм рельефа;
б.очень часто псевдокарст разрушает ирригационные системы, когда малейшая утечка воды приводит к мгновенному появлению колодцев, воронок и провалов;
7.при проявлении отрицательных псевдокарстовых форм возникает неразумное желание сброса и захоронения в них различных промышленных и бытовых отходов, что не только не предовращает, а наоборот приводит к активизации лессового псевдокарста (в формирование псевдокарста вовлекается раствор образующийся при фильтрации атмосферных осадков или подземных вод через толщу отходов представленный высококонцентрированным фильтратом гидрокарбонатного и аммониево-натриевого состава с высоким содержанием жирных кислот, других органических соединений и тяжелых металлов);
8.при активном формировании лессового псевдокарста происходит деградация существующих биогеоценозов и техно-природных ландшафтов;
9.если массив, пораженный псевдокарстом находится в зоне взаимодействия с инженерным сооружением, это, как правило, приводит к его деформированию, а если это гидротехническое сооружение, то к чрезвычайным фильтрационным потерям из каналов и водохранилищ и даже к глобальному нарушению их целостности;
10. формирование лессового псевдокарста нередко приводит к образованию псевдокарстового бедленда (участков площадью до нескольких тысяч гектаров невосстанавливаемых земель) и выводу из сельхозоборота ценнейших поливных массивов, восстановление каждого гектара которых требует миллионных затрат;
1 ¡.деградация лессовых массивов в результате формирования псевдокарста приводит к возникновению социальных проблем (снижение урожайности, доходов населения, миграция специалистов в города и другие районы, снижение численности детей и выезд учителей, врачей, агрономов и механизаторов).
С псевдокарстом связано разрушение ирригационных каналов и расположенных вблизи них объектов различного назначения (зданий и сооружений, мостов, дорог и т.д.) (Глухов, Леонов, Родевич, Маматкулов, и
др.). Достаточное количество аварий каналов описано в пределах Восточного Предкавказья (Васильев, Передельский, Трофимов, Ананьев, и др.).
Приведем пример экономического ущерба, вызванного развитием псевдокарста в Таджикистане (Яванская долина). Ежегодно с одного гектара поливных земель Яванской долины собирали и собирают в среднем по 20 центнеров хлопка-сырца. Стоимость 1 центнера в ценах 2012 г составляет 225 $. Стоимость хлопка с 1га составляет: 20ц х 225 5=4500 $. Орошение земель Яванской долины началось при отсутствии коллекторно-дренажной сети, что привело к активному развитию псевдокарста и эрозии. Большинство сформированных оврагов приурочено к концевым частям оросительных сбросов и дрен. Общая площадь орошаемых земель Яванской долины составляет около 26 тыс. га. За период с 1965 по 2012 гг. (47 лет) в пределах Яванской долины выведено из севооборота около 7 тыс. га., что составляет 25% от общей площади поливных земель. Если стоимость хлопка, получаемого с 1га, умножить на 7000 га, получаем 7000 х 4500 = 31,5 млн.$. Умножив на срок эксплуатации поливных земель долины - 47 лет, получаем сумму 1,5млрд.$, и это при годовом ВВП республики, равном 5,6 млрд. $. Это очень приблизительный расчет, но он отражает общую тенденцию полной и безвозвратной потери ценнейших поливных земель Республики. Расчет проведен только по Яванской долине, тогда как общая площадь орошаемых земель в Республике составляет 720 тыс.га.
Рекомендации хозяйственного освоения территорий возможного развития лессового псевдокарста. До настоящего времени не разработаны нормативные документы по проектированию и строительству на территориях, пораженных лессовым псевдокарстом. Основное правило -недопустить развитие псевдокарста. Псевдокарст легче предотвратить, чем бороться с ним. Главной отличительной чертой лессового псевдокарста является его весьма кратковременные периоды активной, реактивной и полной стадий, что приводит к очень быстрому разрушению лессового массива и инженерного сооружения. При развитии воронок, колодцев и провалов под возведенным сооружением и в непосредственной близости от него, требуется предусмотреть при проектировании обеспечение восприятия дополнительных изгибающих моментов и поперечных сил. Наибольшее распространение в карстоопасных районах получили монолитные железобетонные фундаменты в виде лент, перекрестных лент и плит, что рекомендуется применять также при формировании псевдокарста в лессах (рисунок 7).
Основная задача этих типов фундаментов - обеспечить необходимую прочность, жесткость конструкции и несущего основания при образовании под ними псевдокарстового провала. В краевых частях сооружения, для уменьшения силового воздействия рекомендуется устройство консольных выпусков за пределы контура сооружения. Длины консольных участков должны быть соизмеримы с размерами ожидаемых провалов (Толмачев и др. 1986). Рекомендуется также устройство горизонтального рамного пояса на уровне перекрытия первого этажа (рисунок 8). Этот рамный пояс, в
Рисунок 9 - Варианты устройства свайных
фундаментов для защиты здания от лессового псевдокарста с использованием свай-стоек (а) и висячих свай (б).
Конструктивные элементы
здания: 1 - надфундаментная конструкция; 2 - монолитный железобетонный ростверк; 3 - железобетонная буронабивная свая-стойка; 4 - железобетонная забивная висячая свая квадратного сечения, свободно выпадающая из ростверка. Элементы геологической среды: А -лессовые породы, подверженные псевдокарстованию; Б - породы с высокой несущей способностью; В - псевдокарстовая полость; Г - обрушившаяся порода.
Рисунок 8 - Схема комплексной конструктивной защиты двухэтажного кирпичного жилого дома от провалов 1 - контуры здания; 2 - ленточный фундамент; 3 - монолитная армированная стойка; 4 - рамный пояс на уровне межэтажного перекрытия
сейсмических районах, будет выполнять двойную функцию, одновременно являясь и антисейсмическим и противопсевдокарстовым. Такое конструктивное решение способствует увеличению общей жесткости
здания (пояса поэтажного перекрытия жестко связаны с фундаментной частью сооружения). Кроме того, рекомендуется устройство свай-стоек и висячих свай, выпадение которых препятствует
выполаживанию стенок провала (рисунок 9).
Рисунок 7- Рекомендуемые к применению типы монолитных железобетонных фундаментов, защищающих здания от провалов: а) ленты; б) перекрестные ленты; в) плита; 1 - контуры здания; 2 - консольные выпуски фундамента; 3 - сквозные отверстия, предназначенные для оперативной ликвидации провала
Автор не останавливается на методике расчета размера псевдокарстовых провалов, которая достаточно подробно освещена в работе В.В. Толмачева и др.(1986) применительно к карсту. Основные инженерные и научные задачи строительного освоения территорий пораженных лессовым псевдокарстом изложены в таблице 5.
Таблица 5 - Основные инженерные и научные задачи строительного освоения территорий пораженных лессовым псевдокарстом.
Стадии освоения территорий
I Предпроекгная стадия
Проектные задачи
Составление схем районной планировки и освоения района (развитие и размещение объектов строительства)
Дальнейшая детализация и совершенствование проектных задач
Мелкомасштабное
районирование
территории пс
степени
пораженности
лессовым
псевдокарстом
Перспективные задачи
1.Дистанционное аэрокосмическое исследование лессовых массивов по степени пораженности лессовым псевдокарстом.
2.Мелкомасштабное районирование территории по оценке опасности воздействия лессового псевдокарста.
3.Предварительная потенциального техногенеза на псевдокарста в масштабе.
4.Приблизительная оценка экономического ущерба в связи с освоением территорий пораженных лессовым псевдокарстом._
оценка воздействия развитие региональном
Проектирование
Разработка
генпланов
городов,
поселков,
ирригационных
сооружений и
полей
орошения,
проектов
детальной
планировки
жилой
застройки и т.п.
^Количественная
оценка опасности
поражения
территории
лессовым
псевдокарстом.
2.Средне и
крупномасштабное
районирование
лессовых
территорий по
степени
пораженности
лессовым
псевдокарстом с
учетом
геоморфологически х особенностей и техногенной нагрузки. 3.Оптимизация методики и объемов инженерно-геологических изысканий с учетом особенностей лессовых массивов пораженных псевдокарстом 4.Назначение мероприятий для предотвращения и
1.Оценка интенсивности и особенностей техногенной нагрузки на развитие лессового псевдокарста в масштабе проектирования.
2.Разработка принципов ограничения объемов техногенной нагрузки на лессовый псевдокарст.
3.Районирование территории строительства и типизация участков по возможности локализации псевдокарстовых проявлений.
4.Локализация псевдокарстовых полостей по изменению распределения влажности лессовых пород геофизическими методами.
5. Использование геофизических методов пораженности лессовым псевдокарстом для разработки принципов планировочных решений. 6.Оценка псевдокарстовой опасности территории по данным натурных наблюдений и геофизических исследований, лабораторным исследованиям свойств лессовых грунтов, общей оценке предрасположенности массива к проявлению псевдокарста(наличие ходов землероев и их количество, корней ксерофитной растительности и др.). 7.Разработка количественных методов оценки эффективности
минимизации развития лессового псевдокарста. 5.Прогноз развития псевдокарста с учетом техногенного воздействия 6. Разработка рекомендаций по оптимизации параметров освоения лессовых массивов на экономико-вероятностной основе. способов инженерной подготовки территорий направленных на снижение отрицательного воздействия псевдокарста и оценки ущерба от псевдокарстовых проявлений и вызванных ими разрушений.
Составление проектов (рабочая документация) отдельных зданий и сооружений 1.Прогноз псевдокарстовой опасности на участке размещения сооружения по данным инженерных изысканий. 2.Создание проектов конструкций сооружений с учетом псевдокарстовых деформаций 3.Оценка мероприятий направленных на устранение развития псевдокарста и сравнение их вариантов. 1.Выявление на участке сооружения и прилегающей территории источников поступления воды в лессовый массив провоцирующих развитие лессового псевдокарста. 2.Выявление на участке сооружения и прилегающей территории локальных и общего базисов эрозии с фиксацией конусов выноса. 3.Выявление на участке сооружения псевдокарстовых полостей и определение их геометрических параметров. 4.Создание прогнозной модели работы сооружения при различных формах проявлениях псевдокарста и видах защиты от него. 5.Прогнозирование техногенного воздействия сооружаемого объекта на развитие псевдокарста за расчетный срок эксплуатации сооружения. 6.Создание прогнозной модели гармоничного взаимодействия сооружения с окружающей средой с учетом псевдокарстовой опасности.
III Строительство Обеспечение безопасных и экономичных способов производства строительных работ 1.Контроль за развитием псевдокарста в основании сооружения и на прилегающих участках. ¿.Прокладка подъездных путей с учетом регулирования сброса воды. 1.Нивелирование поверхности строительной площадки для исключения дополнительной возможности развития струйной эрозии. 2.Создание защитного чехла из жирных глин мощность не менее 0,8м для предовращения проникновения воды в лессовый массив. 3.Глубокое тампонирование существующих псевдокарстовых форм рельефа местным увлажненным грунтом с последующей трамбовкой до плотности 1,6г/см3. 4.Устройство дорог и дорожных кюветов с учетом цивилизованного сброса ливневых вод до местного базиса эрозии.
5.Строительство ирригационных сооружений с учетом опасности развития псевдокарста (предварительное замачивание ложа каналов, пробные залповые' пуски и др.).
IV Эксплуатация Оптимизация гармоничного взаимодействи я возведенного сооружения и окружающей среды 1.Обеспечение эксплуатационной надежности объекта при развитии псевдокарстовых деформаций в основании сооружения. 2.Своевременное устранение возникновения парагенезиса оползневых, просад очных, селевых, сейсмических и др. геологических процессов с лессовым псевдокарстом. 1.Благоустройство территории сооружения (отвод ливневых вод, устройство цивилизованного сброса воды до базиса эрозии, устройство защитных экранов, устранение утечек из водонесущих коммуникаций и т.д.). 2.Разработка способов ограничения воздействия сооружений на активизацию псевдокарста. 3.Выявление ранних признаков псевдокарстовой опасности в период эксплуатации объектов (появление воронок, колодцев, глубоких промоин, трещин, понижение гипсометрических отметок отдельных участков и т.п.). 4.Создание специальных служб эксплуатации (быстрого реагирования) по своевременному устранению причин развития лессового псевдо карста.
Рекомендации по локализации и предотвращению формирования лессового псевдокарста. Полностью избежать опасности псевдокарста при наличии лессовых пород и водонапорных градиентов практически невозможно. Даже на слабонаклонных поверхностях лессовых массивов, при углах наклона поверхности до 5° отмечены случаи эрозионных размывов и начала проникновения воды по вертикальным ходам фитогенного и биогенного происхождения в глубину массива. Все мероприятия по предотвращению псевдокарста, руководствуясь подходом В.В.Толмачева и др. (1986), а также В.П.Хоменко (2003), можно разделить на активные, оказыващие прямое воздействие на псевдокарстовые процессы и пассивные, то есть не оказывающие такого воздействия. Пассивные мероприятия осуществляются до начала проявления псевдокарстового процесса, как в период строительства, так и эксплуатации сооружения, а активные - в условиях взаимодействия сооружения и псевдокарстового процесса. Все изложенное хорошо иллюстрирует дендрограмма типов и характера защиты от псевдокарста (рисунок 10).
Рассмотрим кратко рекомендуемые защитные и профилактические мероприятия.
1.Архитектурно-планировочные решения позволяют предусмотреть еще до начала строительства рациональное с точки зрения возможного поражения псевдокарстом размещение объектов на местности, их формы, плотности застройки и др. Основной принцип этой защиты — вывод объекта из опасной зоны, в которой в процессе строительства и эксплуатации сооружения ожидается формирование псевдокарста. Для этого, имея инженерно-
геологическую карту осваеваемой территории, можно оценить и дать прогноз возможности появления псевдокарстовых форм. Наиболее опасными с этой точки зрения будут являться участки, расположенные в прибровковой части крупных региональных террас (придолинный тип лессового псевдокарста). Основные принципы оптимальной архитектурно-планировочной организации изложены в работе Макухина, Тузовой, (1985).
Рисунок 10 - Дендрограмма типов и характера защитных мероприятий от лессового псевдокарста.
2.Конструктивные мероприятия заключаются в использовании особых видов фундаментов и конструктивных особенностей сооружений, которые дают малую деформацию при возникновении псевдокарстовых провалов. Можно предусмотреть фундаменты глубокого заложения, фундаменты из свай-стоек, висячих свай и др. (Толмачев и др.,1986, Бондарик и др., 2009).
3.Контролирующие мероприятия включают в себя мониторинг за состоянием элементов геологической среды и строительных конструкций. При предрасположенности лессового массива к появлению псевдокарста необходимо оперативно получать информацию о начале его формирования. В связи с тем, что псевдокарстовое разрушение лессовых пород может протекать чрезвычайно быстро, необходимы сигнальные устройства электронного типа Под фундаментом и на прилегающей территории необходимо на глубинах от 3 до 30м разместить датчики, измеряющие напряженно-деформированное состояние лессового массива и датчики порового давления, которые оперативно проинформируют о возможности появления псевдокарста (повышение влажности лессовых пород и последующее изменение напряженно-деформированного состояния). Кроме
того необходимо расположить поверхностные и глубинные геодезические марки, контроль за которыми также даст информацию об изменении уровня поверхности массива вследствие формирования псевдокарста. Применимы также аварийные сигнальные системы, которые реагируют на смещение грунта относительно фундамента сооружения (Таршиш, Гордон, 1983). 4.Предупреждающие мероприятия представляют собой грамотные инженерные решения, направленные на предотвращение возникновения лессового псевдокарста и связанных с ним геологических процессов, в том числе, мероприятия гидромелиоративного характера. К перечню таких инженерных решений относятся: а) изъятие псевдокарстово неустойчивых пород, как это предписывает по отношению к засоленным грунтам СНиП 2.02.01-83; б) тщательная гидроизоляция искусственных водотоков и водоемов, подземных водонесущих коммуникаций, предотвращение нецивилизованного сброса воды с поверхности лессового массива; в)регулирование и организация поверхностного стока, как природного, так и техногенного происхождения, предусматривающие его полный перехват системой канав, рвов, арыков, ливнеотводов и др., которые полность исключают поступление и неконтрлируемое движение воды, как по лессовому массиву, так и внутри массива. При наличии на территории псевдокарстовых проявлений (провалов, воронок, ходов и др.) необходимо их своевременное тампонирование, засыпка местным увлажненным грунтом с уплотнением до 1,6 г/см3, с контролем надежности тампонирования и засыпки. При сбросе воды с большим перепадом высот следует устраивать многолотковые консольные перепады, гасители и многоструйные консоли, а при вовлечении в эксплуатацию лессовых территорий и массивов категорически предотвращать малейшее проявление линейной эрозии. При начале формирования линейных потоков поверхностных вод необходимо в срочном порядке организовывать их сбор в лотки и кюветы, а сброс до ближайшего базиса эрозии следует производить, используя ступенчатые перепады высотой не более 1 метра, где каждая ступень должна иметь флютбет и боковые стенки (Вызго, 1932). При поливе сельскохозяйственных культур на лессовых массивах следует максимально использовать капельное распыление влаги, поливные борозды располагая поперек угла склона, а не вдоль склонов, причем сам полив производить без сброса и строго дозированными о&ьемами. При этом, необходимо исключить излишнюю подачу воды на орошаемые поля.
5.Отличительной особенностью управляющих мероприятий является их оперативный характер, направленный на снижение разрушительной силы подземного потока в лессах при его возникновении. При строгом учете водопотребления, особенно промышленными предприятиями, возможно принятие срочных оперативных мер. При внезапном увеличении расхода до 20% необходимо срочно, в течение 1-2 часов, предпринять меры к поиску мест утечек и путей миграции воды, а при невозможности их обнаружения в течение 3-х часов прекратить подачу воды, вплоть до остановки предприятия.
6 .Для проведения мероприятий, препятствующих формированию псевдокарста, необходимо решить три основные задачи:
1) предохранять лессовые породы от воздействия воды;
2)ликвидировать возможность выноса разрушенных лессовых пород к базису эрозии;
3) превратить лессовые породы в устойчивые к псевдокарстованию.
Первая задача решается изоляцией лессового массива от воздействия поверхностных и техногенных вод с помощью канав, кюветов, арыков и др. Вторая задача решается тампонированием полостей, трещин, поноров, колодцев и других поверхностных форм псевдокарстового рельефа, являющихся своего рода водоприемными образованиями лессового массива. Решение третьей задачи достигается путем применения различных методов и способов технической мелиорации грунтов. Например, создание на поверхности лессового массива толщи искусственно уплотненных грунтов мощностью не менее 0,7м, которая будет служить своеобразным экраном, препятствующим возникновению и развитию псевдокарстовых ходов.
В связи с тем, что псевдокарстовые процессы весьма скоротечны, характер и объемы мероприятий по их предовращению и локализации зависят от конкретных инженерно-геологических условий территории строительства или эксплуатации уже построенного сооружения. Набор мероприятий мало отличается от противокарстовых, хотя, как было показано выше, есть и свои отличительные особенности.
Заключение
1. Проведенные исследования феномена лессового псевдокарста определили, что на его появление и формирование влияют литологические, климатические, биологические факторы. Существуют некоторые особенности влияния биологических факторов, когда растительность, укрепляя лессовый массив, препятствует появлению лессового псевдокарста и одновременно подготавливает пути проникновения воды на глубину более 25м. Выявлены закономерности формирования типов лессового псевдокарста, обусловленные особенностями рельефа Земли и структуры лессовых массивов.
2. Определена роль техногенеза в формировании лессового псевдокарста. На примере Таджикистана показано, что количество форм лессового псевдокарста, образованных в результате техногенеза, превышает количество форм лессового псевдокарста, образовавшихся в природных условия, более чем в 13 раз. В Китае, в пределах Лессового плато, эта цифра может быть увеличена на порядок.
3. Установлены критерии опасности лессового псевдокарста (пораженность территории, скорость формирования, изменение свойств лессовых пород, характер индуцированных геологических процессов и общее снижение гипсометрических отметок массива). Проведена оценка опасности, лессового псевдокарста, уязвимости лессовых массивов, и степень геологического риска при формировании лессового псевдокарста
4. Разработаны рекомендации по предотвращению и борьбе с лессовым псевдокарстом, сформулированы основные инженерные и научные задачи строительного освоения территорий, пораженных лессовым псевдокарстом, и основные условия безопасной эксплуатации лессовых массивов при строительстве зданий, инженерных сооружений и орошении. Рекомендованы некоторые способы конструктивной защиты от проявления псевдокарста. Основные результаты исследований опубликованы в работах:
1.Лаврусевич A.A. Псевдокарст на территории сельскохозяйственного освоения земель в Таджикистане / С.А.Лаврусевич, А.А.Лаврусевич // Докл.АНТадж.ССР, T.XXVI.1983. - №11. - С.723-726.
2.Лаврусевич A.A. Некоторые формы переработки лессовых берегов горных водохранилищ (на примере Нурекского водохранилища) / А.А.Лаврусевич, С.АЛаврусевич // Докл.АН Тадж.ССР. 1985. T.XXVIII.- №2,- С. 358-362.
3.Лаврусевич A.A. Суффозионный оползень на левом борту Нурекского водохранилища//Докл. АН Тадж.ССР. 1985. T.XXVIII.- № 5.- С. 299-301.
4.Лаврусевич A.A. Псевдокарст прибрежной зоны Нурекского водохранилищана / А.АЛаврусевич, С.А.Лаврусевич //Докл.АН Тадж ССР 1986. T.XXIX. - №3. - С. 172-175.
5. Лаврусевич A.A. Географическая среда и лессовые породы Туткаульской впадины (Таджикистан) / А.А.Лаврусевич, С.Ш.Шаимов // Изв АН Респ Тадж. 1992.- №1,- С.57-62.
6.Лаврусевич A.A. Изменение свойств грунтов и геологических процессов в зависимости от природной среды и техногенеза // Докл.АН Респ Тадж 1992 Т.ХХХУ. - № 7-8,-С.337-341.
7.Лаврусевич A.A. Опасный техноприродный процесс в лессовых массивах// Вестник МГСУ - М. - 2010. - №2. С. 181-185.
8.ЛаврусевичА.А. Основные черты техногенеза//Вестник МГСУ - М -2010 -№4. Т.2.- С.175-181.
9.ЛаврусевичА.А. Некоторые особенности инженерно-геологических изысканий на территориях пораженных лессовым псевдокарстом // Инженерные изыскания.-М. - 2010. - № 10. - С. 20-23.
10. Лаврусевич A.A. К вопросу о состоянии нормативного обеспечения инженерно-экологических изысканий для строительства при оценках атмосферы/Н.А.Платов, А.Д.Потапов, А.А.Лаврусевич и др. //Вестник МГСУ - М. - 2011.- № 4. С.432-436.
11.Лаврусевич A.A. О состоянии нормативного обеспечения экологических оценок гидросферы в условиях техногенеза (при изысканиях для строительства) / H.A. Платов, А.Д.Потапов, А.А.Лаврусевич и др. //Вестник МГСУ - М. - 2011.- № 5. - С. 197-204.
12.Лаврусевич A.A. Опыт оценки активизации псевдокарстовых процессов в лессах (на примере Яванской долины - Таджикистан) / А.А.Лаврусевич, С.А.Лаврусевич // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология - М. - 2011.- №4.-С.362-369.
13.Лаврусевич A.A. Оценка недр, земельных ресурсов и почв при инженерно-экологических исследованиях на стадии проектирования
сооружения/ Н.А.Платов, А.Д.Потапов, А.А.Лаврусевич и др. //Вестник МГСУ - М. - 2012. - №2,- С.77-84.
14.Лаврусевич A.A. Лёссовый псевдокарст и опыт укрепления лессовых массивов и откосов искусственными посадками некоторых растений(на примере лессового плато в провинциях Ганьсу и Шеньси, Китай) / А.А.Лаврусевич, В.С.Крашенинников, И.А.Лаврусевич) // Инженерная геология. - М. -2012,- №1. - С.48-58.
15.Лаврусевич A.A. Некоторые оценки геоэкологического состояния лессовых массивов пораженных псевдокарстом // Разведка и охрана недр -М,-2012,-№7,- С.44-47.
Публикации по результатам участия в конференциях:
1.Лаврусевич A.A. Формирование ниши в основании лессовых откосов. В сб.¡Материалы конф. молод, ученых и специалистов АН Тадж.ССР.Душанбе. 1987.С.48.
2Лаврусевич A.A., Лаврусевич А.И. Карст и его проявления в Орловской области.Тезисы докладов научно-практической конференции.4.1.Орел. 1994г. С.25.
3. Лаврусевич A.A., Лаврусевич С.А .Псевдокарст на территории распространения лессовых пород. Тезисы международного совещания. Новороссийск, 2008 г.С.118-123.
4. Lavrusevich A.A., Lavrusevich S.A., Gorshkova O.G. Technigenesis and behavior of Ioessial rock. Proceedings of International Scientific Conference.Vladivostok. 2009. p.130-131.
5. Лаврусевич A.A. Некоторые вопросы инженерно-геологических изысканий в лессовых массивах (на примере Таджикистана). //Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии. Труды междунар. науч. конференц. МГУ.2010.С. 97-98.
6. Лаврусевич A.A., Лаврусевич С.А. Оценка степени пораженное™ псевдокарстом лессовых массивов при инженерно-геологических изысканиях //Сергеевские чтения. Вып.12.-М.:РУДН.2010.С. 147-150.
7. Lavrusevich A.A. Vulnerability array loess from the effects of pseudokarst. International conference Engeopro - 2011. Moscow, 6-8 September 2011 .P.69-70.
8. Лаврусевич A.A. Типы лессового псевдокарста и оценка уязвимости и опасности лессовых массивов // Сергеевские чтения. Вып.14. - М.: РУДН.2012. С.78-80.
9. Лаврусевич A.A., Горелов Ю.И., Вдовина O.K. Некоторые методологические положения по оценке риска поражения территории лессовым псевдокарстом //Мат-лы Рос. Конф. С междунар. Участ. «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях» 22-23 мая 2012г. Уфа. 2012. С.173-178.
10. Лаврусевич A.A. Оценка геоэкологического состояния лессовых массивов пораженных псевдокарстом. Всероссийская научно-практическая конференция «Геолого-геохимические проблемы экологии». Москва, 26-27 апреля 2012г. Тезисы докладов. С.71-72
Объем: 1,5усл.п.л. Подписано в печать: 10.07.2012 Тираж: 100 экз. Заказ № 8201 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Рождественка, 5/7,стр.1 (495) 623-93-06; www.reglet.ru
-
Лаврусевич, Андрей Александрович
-
доктора технических наук
-
Москва, 2012
-
ВАК 25.00.36
- Научно-методические основы изучения и оценки лессового псевдокарста в условиях техногенеза
- Ландшафты лессового псевдокарста Таджикистана и их некоторые геохимические особенности
- Исследование просадочных деформаций лессовых пород юго-восточной части долины Кашкадарьи в связи с ее мелиоративноым освоением
- Исследование взаимодействия гидротехнических сооружений и просадочных оснований с учетом инженерно-геологических особенностей лессовых грунтов Центрального Предкавказья
- Особенности инженерно-геологических изысканий на территориях распространения лессовых просадочных грунтов с учетом изменений уровня подземных вод и влажности грунтов зоны аэрации
