Оценка карстовой пораженности и прогноз развития карстовых провалов на осваиваемых территориях

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Национальный минерально–сырьевой университет «Горный»»

 

 

 

 

 

Кафедра Гидрогеологии и Инженерной Геологии

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

По дисциплине:      ___Инженерная геодинамика___

                                                    (наименование учебной дисциплины  согласно учебному плану)

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Тема проекта: Оценка карстовой пораженности и прогноз развития карстовых провалов на осваиваемых территориях.

 

 

 

 

Автор:  студентка группы        /                                                                                                                                                                                                                                                             (подпись)                                        (Ф.И.О.)            

 

ОЦЕНКА:     _____________

 

Дата:    _____________  2014 г.

 

 

Проверил:

руководитель проекта     профессор                                                           /                                            (должность)                                    (подпись)                                        (Ф.И.О.)                      

 

 

Санкт-Петербург

2014

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

           Термином «карст» называют природные и техногенные процессы и созданные ими формы наземного и подземного рельефа, обязанные своим происхождением растворяющему действию воды на горные породы, к которым относятся известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменная и калийная соли, мергели, известковые загипсованные песчаники и др.

            Карстовый процесс является функцией нескольких основных условий, включающих наличие растворимых водопроницаемых карбонатных и сульфатных пород, а также движущихся подземных вод, агрессивных к этим породам [Соколов, 1962]. Эти условия зависят от ряда факторов, определяющих питание карстовых вод, их движение и разгрузку, и в конечном итоге — активность и скорость развития карстового процесса. К первой группе относятся климатические факторы (атмосферные осадки, их состав, дефицит влажности воздуха, испарение, конденсация и др.), ко второй — геологическое строение и геоморфологические условия (состав пород, их трещиноватость и пр.), рельеф, степень его расчлененности, и к третьей группе—гидрогеологические условия (динамика, химический состав и режим подземных вод).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

 

1.1 Определение карста

Понятие «карст» происходит от названия плато в Словении, на поверхности которого ярко выражены понижения, образовавшиеся в результате растворения и выщелачивания карбонатных пород. Карстом занимаются специалисты разных направлений наук о Земле, а также строители, горняки и другие, в связи с чем существует много определений этого понятия. Изучение карста в геодинамике имеет свою специфику, так как карстовые формы и современный карстовый процесс определяют условия освоения человеком за- карстованных территорий, устойчивости инженерных сооружений и природных массивов горных пород. Таким образом, на стыке естественных наук и строительства возникло научно-прикладное направление, названное Г. А. Максимовичем в 1947 году «инженерным карстоведением», задачи которого определяются современными требованиями строительной и горной практики.

Большой интерес к проблемам инженерного карстоведения проявляется во многих зарубежных странах, о чем можно судить по регулярному проведению крупных международных научных мероприятий. В 1973 году в Ганновере (ФРГ) и в 1984 году в Льеже (Бельгия) состоялись международные симпозиумы по проблемам прикладного карстоведения; в 1981 году во Флориде (США) был организован специальный научный институт по исследованию карстовых провалов, где в 1984 и 1987 годах проходили I и II конференции по проблемам оценки и прогноза карстовых деформаций; на симпозиуме, проходившем в Стамбуле (Турция) в 1981 году, основное внимание уделялось вопросам гидротехнического строительства на закарстованных породах; проблемам строительства и устойчивости сооружений на закарстованных породах посвящен большой объем исследований, публикаций и конференций во Франции, Великобритании, Китае, ЮАР.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Карстовые формы рельефа. 

Существует разнообразные карстовые формы, которые делятся на поверхностный карст: карры, поноры, воронки, котловины, полья; долины сухие, слепые, мешкообразные и подземный карст: вертикальные каналы и колоколообразные пещеры (расширенные каналы), начинающиеся от понор (эпикарст), горизонтальные каналы - галереи, отводящие воду на поверхность (мезокарст), сифонные каналы и другие. Наглядно мы можем увидеть их на рис.1. 
 
 
Рис. 1 Схема карстовых процессов в горном массиве: 1 - карры; 2 - воронки; 3 - естественные шахты и колодцы; 4 - пещерная галерея; 5 - вертикальная пещерная полость; 6 - сталактиты; 7 - сталагмиты и сталагнат (натёчная колонна); 8 - натёчные драпировки; 9 - подземные водотоки; 10 - сифон; 11 - подземный водопад; 12 - грот с карстовым источником типа воклюз; 13 - вход в пещерную систему. 

Мелкие потоки атмосферных вод, протекая по наклонной поверхности известняков проводят двойную работу. Они смывают продукты выветривания и одновременно растворяют породу. В результате на поверхности известняков появляются узкие, густо расположенные борозды, глубина которых может быть от нескольких сантиметров до 1—2 м. Участки поверхности, покрытые подобными, как бы вытравленными бороздами, носят название карров. 

Там, где имеются достаточно глубокие трещины, процессы разрушения известняков принимают несколько иной характер. Атмосферные воды проникают по трещинам вглубь. При этом стенки трещин постепенно разрушаются и трещины расширяются. В тех же местах, где этот процесс протекает особенно энергично, возникают те воронкообразные углубления, которые называют карстовыми воронками. Размеры воронок весьма различны, но формы довольно однообразны. Это по большей части округлые углубления, глубина которых измеряется или метрами, или десятками метров. Постепенно суживаясь, они иногда заканчиваются трещинами (понорами), которые поглощают стекающие сюда воды. Чаще дно воронки бывает наполнено продуктами разрушения. В некоторых случаях продукты выветривания закупоривают поглощающие воду трещины, и воронка заполняется водой, образуя округлые, так называемые карстовые озера. На дне небольших карстовых воронок нередко можно наблюдать кустарниковую и другую растительность.

В некоторых случаях при   наличии   глубоких   вертикальных   трещин возникают узкие колодцеобразные углубления, достигающие 5—10 м глубины при диаметре 1—2 м. Это так называемые карстовые колодцы. Колодцы, глубина которых измеряется десятками, а иногда и сотнями метров, называют карстовыми шахтами. Карстовые колодцы и шахты, оказавшиеся близ русла рек, нередко поглощают воду этих рек. Подобные поглощающие колодцы называют понорами.

В карстовых областях существует еще целый ряд котловинообразных углублений различной величины и формы, которые называют общим названием долин. Их очертания могут быть круглыми, овальными, лопастными. В одних случаях они имеют отлогие склоны, в других очень крутые. Днища долин также бывают в одних случаях более плоскими, в других— с чередующимися углублениями. Некоторые из долин являются измененными в процессе разрушения воронками, колодцами и шахтами, результатом слияния двух или нескольких воронок и т. д. Очень крупные образования подобного рода, пониженная площадь которых измеряется десятками квадратных километров, называют полъями.

В некоторых случаях при обильном выпадении осадков некоторые полья заполняются водой и становятся временными озерами. Бывают случаи, когда вода держится несколько лет. Но чаще вода таких озер в тот же год поглощается понорами, и полья становятся сухими.

Пещеры. Широко распространены в карстовых областях различного вида пустоты, которые возникают внутри карстующихся пород (рис. 212). Эти пустоты носят название пещер. Пещеры могут быть очень различны как по форме, так и по величине. В одних случаях они носят характер подземных галерей, в других — расширенных «зал», ветвящихся ходов и колодцев. Потолки и стены пещер нередко бывают покрыты натеками извести самого причудливого вида. Чаще всего можно видеть натеки в форме застывших водопадов, столбов, колонн, ледяных сосулек (сталактитов и сталагмитов, рис. 213). Пещеры нередко бывают многоэтажны. Получается это потому, что подземные реки и речки прокладывают себе новые пути глубже. В нижних «этажах» пещеры нередко можно встретить подземные речки и озера. Существуют пещеры, длина которых измеряется сотнями километров. Наибольшей известностью пользуется Мамонтова пещера в Северной Америке, общая длина всех ходов которой около 250 км. У нас в СССР пещер много в Крыму, на Алтае, в Приуралье и других местах.

Пещеры отличаются не только размерами и формой, но также своеобразными условиями климата, вод, растительного  и животного мира. В тех случаях, когда пещера имеет несколько ходов с отверстиями, то в ней непрерывно происходит обмен воздуха, и температурные условия приближаются к наружному воздуху. Когда же пещера имеет один вход, то возможны два случая. Если пещера расположена выше уровня входа, то в ней постепенно скапливается более теплый воздух и средняя температура и летом и зимой в этой пещере будет выше температуры наружного воздуха. Такие пещеры называют теплыми. При обратных условиях расположения входа в пещере, наоборот, температура ниже температуры окружающего воздуха (холодные пещеры). Благодаря тому, что более тяжелый холодный воздух легко проникает сюда зимой и очень слабо прогревается летом, в некоторых пещерах образуется лед, который сохраняется и летом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Оценка закарстованности  и прогноз устойчивости территории  и сооружений

 

Оценка степени закарстованности осуществляется показателями карстовой пораженности, по которым можно прямо или косвенно судить об изменении водопроницаемости и механических свойств горных пород, а также об устойчивости закарстованных территории.

 

1. объемный показатель карстовой пораженности (в%) (по Н.Р.Родионову):

,

где - объем i-й карстовой полости (пустоты);

-объем изучаемого закарстованного  массива;

14. число карстовых пустот.

 

2. Площадной показатель карстовой пораженности (в%):

,

где - площадь i-й поверхностной карстовой формы;

-площадь закарстованной территории.

 

3. показатель карстовой пораженности:

,

где -число карстовых пустот.

Для карстовых пород применяют следующую классификацию (табл.1)

 

 

Классификация закарстованных территорий по степени их устойчивости

( по СНиП 11.02.96)

Таблица 1

Категория устойчивости	Средний диаметр провалов, м	Число провалов, образовавшихся площади, 1км2 за 1 год
I. очень неустойчивые	больше 20	больше 1,0
II. неустойчивые	20-10	1,0-0,1
III. пониженной устойчивости	10-3	0,1-0,01
IV. относительно устойчивые	3-1	меньше 0,01
V. устойчивые	нет	нет

 

 

Характеристика закарстованных пород по их водопроницаемости

( по В.Д.Ломтадзе, 1977)

Таблица 2

Характеристика горных пород	Коэффициент фильтрации, м/сут	Удельное водопоглощение, л/мин
Практически водоупорные незакарстованные и нетрещеноватые	меньше 0,01	меньше 0,005
Очень слабоводопроницаемые, слабозакарстованные и слаботрещеноватые	0,01-0,1	0,005-0,05
Слабоводопроницаемые, слабозакарстованные и слаботрещеноватые	0,1-10,0	0,05-5,0
Водопроницаемые закарстованные и трещеноватые	10,0-30,0	5,0-15,0
Сильноводопроницаемые, сильнозакарсто- ванные и сильнотрещеноватые	30,0-100,0	15,0-50,0
Очень сильноводопроницаемые, сильно- закарстованные и сильнотрещеноватые	больше 100,0	больше 50,0