Озера и водохранилища

Берега озер разрушаются медленнее. Строение берегов зависит от слагающих пород и структур. У озер активно формируется пляжная зона.

Особенности водохранилищ.

---в первые 2-3 года активно формируются берега, поскольку водохранилище вырабатывает новый профиль равновесия.

Через 10-15 лет наступает динамическое равновесие.

---образуются пляжные зоны, оползни, обвалы.

---Вокруг водохранилищ возникает подпор грунтовых вод, заболачивание, карст, суффозия, просадочные деформации

Изыскания при устройстве водохранилищ сопровождаются

прогнозом подпора грунтовых вод.

ПРИМЕР. Краснодарское водохранилище :

-- подпор распространился на 35 км

--фильтрация через глубокие водоносные горизонты и через гидрогеологические окна проникает в верхние водоносные горизонты и подтапливает территорию г. Краснодара. Перед Краснодаром устроен вертикальный дренаж : 85 скважин через 100 метров

При изысканиях уделяют внимание следующим факторам:

-климат

-морфология, литология дна

-гидрология

-новейшие тектонические движения

-режим ветра

-режимные наблюдения за аккумуляцией и разрушением

-аэрофотосъемка с интервалом в несколько лет

-геофизика для тектонических нарушений

Деятельность подземных вод.

КАРСТ

Карст –образование пустот (каналов, пещер) в горных породах под влиянием растворения и выщелачивания с оседанием кровли, образованием озер воронок, впадин на поверхности Земли.

13% территории РФ поражено карстовыми явлениями

в районах Урала, Крыма, З.Кавказа, Ср. Азии, Сибири .

Необходимые условия проявления карста:

- тек­тонические поднятия обусловливают большие скорости движения подземных вод; - особые горные породы (известняк, доломит мергель, гипс, галит).

Типы карста и карстовые формы

1. Открытый карст -- разрушенные ГП выходят на поверхность Земли, можно видеть борозды, желоба – кары, поверхностные воронки диаметром 1-50 м и глубиной 1- n*10м

2. Закрытый карст покрыт мощным слоем элювия. Снос продуктов выветри­вания происходит медленнее, чем развитие карста.Образуются пещеры,поноры (трещины,расширенные водой)

3.Среднерусский карст перекрыт нерастворимыми осадочными породами: Центр Европейской части РФ, известняки.

Скорость развития карста зависит от факторов:

1) растворимости горных пород, состава и минерализации вод.

Известняки практически нерастворимы (0,0013 г/л), но разрушаются в пять раз быстрее с увеличением концентрации SO₄. При больших концентрациях СО₂ в воде кальцит переходит в соединение Са(НСОз)₂ с растворимостью до >1 г/л

выщелачивание - это извлечение одного или нескольких компонентов из твердых тел водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент. Обычно выщелачивание сопровождается химической реакцией с переводом компонента в растворимую в воде форму.

2) скорость движения подземных вод особенно возрастает в тектонически нарушенных зонах, расчлененном рельефе. Вблизи крутых склонов скорость движения подземных вод достигает 200—1000 м/сут; трещиноватость возрастает в замках антиклиналей, вблизи: сбросов и способствует быстрому движению воды.

3) рельеф местности:

- на водораздельных пространствах образуются колодцы и провалы, от них круто вглубь уходят карстовые ходы.

- у подножия склонов выходят наружу горизонтальные ходы в виде пещер, сформированных в системе трещин.

На развитие карста можно повлиять. Для этого нужно знать природные механизмы его угасания.

Случаи угасания карста:

а) повышение базиса эрозии;

б) замедление или прекращение поступления воды в карстовые полости при накоплении остатков нерастворившихся пород (пе­щерная глина), обрушении пород (карстовая брекчия), образовании на поверхности мощного слоя элювия, делювия и осадков карстовых озер;

в) залечивание карста при изменении температуры, давления и выпадении растворенных веществ в осадок с образованием СаСОз, SiO₂*nH2O, CaSO₄*2H₂O, Fe₂O₃*nH2O.

Принцип инженерно-геологического изучения карста - комплексность.

Изыскания включают изучение

а) климата, гидрологии, рельефа, растительности

б) геологии, гидрогеологии,

в) состояния инженерных сооружений (в связи с карстом).

Применение геофизических методов.

Электроразведка устанавливает :

- глубину скрытых отложениями карстовых воронок

- участков с разными Кф; уровень подземных вод,

объемы и структуру трещинноватости;

Строительство и эксплуатация ПГС как правило, активизирует карстовые процессы.

МЕРЫ_сдерживания_карста

АКТИВНЫЕ

--засыпка карстовых воронок на осваиваемой территории,

--тампонирование или обрушение полостей

--отвод агрессивных подземных и поверхностных вод,

блокирование потока водонепроницаемыми экранами,

--изменение водного баланса карста дренажем

ПАССИВНЫЕ МЕРЫ

- На опасных участках не строят. Дороги укрепляют продольными и поперечными ж/б балками. В особо опасных участках устраивают сигнализацию светофорами.

СУФФОЗИЯ

Суффозией называют: Механический вынос мельчайших частиц потоком подземных вод из массива грунтов с образованием воронок, оседания поверхности земли.

suffodio (лат.) - подкапывать. Растворение играет подчиненную роль, оно лишь освобождает зерна породы и разрыхляет ее, благодаря чему увеличиваются скорость фильтрации .

Суфффозия проявляется в мелких песках с зернами карбонатов или песчаниках со слабым карбонатным (глинистым) цементом.

Суффозия развивается сравнительно мед­ленно (годы, десятки лет) и отрицательно сказывается на устойчи­вости зданий и сооружений.

Условия возникновения механической суффозии:

1) определенный гранулометрический состав и структура песка D/d=20

2) при значительном гидравлическом градиенте, I>3 на крутом берегу реки, при быстром спаде паводкового уровня реки, в основании плотин, утечке ливневой канализации дороги.

3) контакте слоев (Кф1/Кф2>2), например лесс/известняк, песок.

Пример контактной суффозии:

Ростов-на-Дону лёссовые грунты, залегающие на известняках: пустоты достигают не­скольких метров в диаметре, вызывают провалы поверх­ности земли с повреждением зданий и подземных коммуникаций.

Техногенная суффозия формируется в городах над трубопроводами: оседания и провалы дорог.

Как исследуется суффозия, например в лессах

При ИГ-изучении суффозии в глинах и лёссах выясняют:

а)какие породы и в каких местах легко теряют прочность при увлажнении и вымывании солей

б) грансостав и структуру грунта

в)за счет каких источников и по каким путям может осуществляться турбулентное движение воды через размытую породу.

Борьба с суффозией

- регулированием поверхностного стока атмосферных вод и

- гидроизоляцией поверхности земли;

- перекрытием места выхода подземных вод тампонированием;

- устройст­вом дренажей для осушения пород

-уменьшением скорости фильтрации воды;

-упрочнением ослабленных суффозией грунтов методами цементации, глинизации и т.д.

ПЛЫВУНЫ

К плывунам относят водонасыщенные рыхлые породы, преимущественно пылеватые и мелкие пески, которые при динамическом воздействии (вскрытии котлованами и горными выработками) разжижаются и ведут себя подобно вязкой жидкости.

Выделяют плывуны ложные и истинные. Ложные плывуны (К_ф 1-2 м/сут) приходят в движение под действием высокого гидравлического напора потоков подземных вод на морских и речных побережьях. Формируются зыбучие пески. Ложные плывуны легко отдают воду и становятся плотными.

ИСТИННЫЕ плывуны. Это пески водонасыщенные, мелкозернистые, почти пылеобразные с примесью 10-15% глинистой фракции (<1 мк). Вокруг глинистых частиц образуется связанная вода, ослабляющая структурные связи и снижающая К_ф до 0,05-0,001 м/сут. Плывуны не отдают воду дренам и их невозможно уплотнить. При высыхании они упрочняются за счет глинистого цемента.

Техногенные плывуны возникают при намыве насыпей из тонкозернистого песка при недостаточно обес­печенном отводе воды. Плывуны приходят в движение в бортах и на дне котлованов при сотрясениях. Нередко полностью или частично заполняют выработку.

ПРИМЕР:

1. Погружение бульдозера в песчаную насыпь при включении его мотора. Внезапное разжижение вызывается вибрацией насосов. При сейсмическом толчке в 1935 г. в Индии На р. Ганг рухнуло 350 мостов, опоры которых были заложены в водонасыщенных песках.

***

Из-за негативного влияния плывунов строительство значительной части Московского Метрополитена проводилось только в замороженном грунте.

***

Ленинград. Весной в 1972 г. произошел мощный выброс водопесчаной смеси в тоннель метро: ст. “Лесная”-“Выборгская” 1.5-километровый участок в течении нескольких часов был полностью затоплен. В мае 1995 г. тоннель оседал на 30-40 мм за несколько часов. Перегон был закрыт и затоплен навсегда.

***

Прорыв плывуна на поверхность возможен при интенсивном движении поездов на участке с плывунами.

Плывуны могут быть вскрыты при подрезке склонов во время строительства дорог. Выходы плывунов приводят к образованию оползней и оседаний склонов.

При строительстве 100-метрового трамплина на Воробьевых горах в Москве был вскрыт плывун , вызвавший оседание склона.

Борьба с плывунами

По периферии будущих котлованов, до подошвы водоносного пласта погружают сплошной шпунт вокруг пространства работ; понижают УГВ (этот метод успешен в ложных плывунах, в истинных применяют иглофильтры и, часто, неуспешно); замораживают плывун, закрепляют его инъекциями цементных и др. реактивов.

Пример.Байкало-Амурская ж-д магистраль:

Северо-Муйский ж-д. тоннель

Длина тоннеля - 15,3км.Цена - 16,5 мрд.руб.

Трудились 30 тыс. человек в течение 1977 -2004 г.г.

CЛОЖНОСТИ:

- тектонический разлом с водопритоками n*100 м3/час, давлением воды ~34 атм, t~ +45^о. Откачано 20млн м³ водопесчаной смеси Новые решения : комплексное водопонижение, глубиной до 300 м;  - химическое укрепление грунтов на большую глубину;    сейсмостойкие двухслойные обделки тоннелей;    автоматизированная система микроклимата в тоннеле; мониторинг окружающего массива, обделки.

Подтопление городов

Подтопление - подъем уровня подземных вод к поверхности земли за счет неуклонного повышения их запасов.

Около 30% количества атмосферных осадков питает грунтовые воды.

Вода в грунт поступает за счет утечек из водонесущих коммуникаций - водопровода, канализации, теплотрасс. В Москве - это свыше 20 тыс. км. Объем утечек из них (4 л/с*км²) в два раза превышает природное питание подземных вод.

Нарушение системы естественного дренажа

Эрозионная сеть в городах засыпается грунтом, что сокращает сток подземных вод.

Другая проблема - накопившаяся под асфальтом влага не может испаряться. Доля асфальта и застроенной земли в городах составляет 80-90%. Ему соответствует самый высокий уровень влажности почвы.

Последствия подтопления

Сырость в подвалах домов и погребах, плесень на стенах подъездов, разрушение подземных конструкций городских сооружений, проседание домов. Накопление внутрипочвенной влаги

в подвалах зданий. На первых этажах зданий размножаются колонии микроскопических грибов, провоцирующие различные заболевания.

Себестоимость строительства на территориях с высоким уровнем грунтовых вод значительно повышается.

ЛИКВИДАЦИЯ ПОДТОПЛЕНИЯ

-- Устранение протечек в городской системе водоснабжения.

-- Восстановление природных дрен.

-- Переход к умеренному асфальтированию поверхности почвы в жилых кварталах.

-- В Европе стали внедрять пористый асфальт, который пропускает и испаряет излишки влаги.

Эндогенные процессы. Землетрясения

Землетрясение - мгновенное высвобождение энергии за счет разрыва горных пород в очаге.

Причина – тектонические движения в литосфере.

Гипоцентр(фокус) землетрясения – это условное положение очага на глубине.

Эпицентр -проекция гипоцентра на поверхность Земли.

Гипоцентры: мелко-фокусные (0-70 км), Средне-фокусные (70-300), Глубоко -фокусные (300-700).

Характеристика сейсмического эффекта: в России - 12-балльная шкала Медведева-Шпонхойера- Карника (МSК-64).

МАГНИТУДА (Чарльз Ф. Рихтер): lg (максимальной амплитуды землетрясения ) на расстоянии 100 км от эпицентра.

Энергия при землетрясения пропорциональна скорости сейсмических волн, плотности слоев Земли, амплитуде смещения, частоте колебаний.

Типы упругих волн: Р-продольные, они попеременно сжимают и растягивают ГП. Их скорость зависит от плотности и модуля сдвига породы.

S-поперечные волны – смещают грунт 90^о к направлению движения волны. В жидкости не распространяются.

Поверхностные- подобно ряби расходятся по поверхности Земли.

Регистрация землетрясений– сейсмографы регистрируют: тип волны, направление волны, время приходя волны. 40000 датчиков регистрируют несколько сот тысяч землетрясений в году, 100 из них - ужасные.

Локализация землетрясений закономерна. Землетрясения происходят в зонах контактов литосферных плит: рифты, Ср.океанич.хребты. горные цепи. Очаги лежат в зонах Х.Беньофа (погружение плит в мантию).

Механизм землетрясений неясен.

Гипотезы: Шебалин Н.В. (1984) –зацепы твердых тел. Мячкин В.И. –лавинный рост трещин. Брейс У.,Нур А.М. – быстрый рост объема горных пород вслед за появлением трещин. Штольц К.(1990г.) – залипание контактов.

ЦУНАМИ – землетрясения с эпицентром в океане. Во всей массе воды возникают подводные волны,V=800 км/ч. У берега скорость падает до нуля,но амплитуда волны растет и порождает катастрофы.

МЕТОДЫ Прогнозов землетрясения. Два направления:

1. Выявление их предвестников, - выявление сейсмических циклов, скопления колебаний земной коры у будущих очагов.

2.Контроль деформации и наклонов земной коры. – изменения скорости сейсмических волн,изменения электрического сопротивления горных пород, изменения напряженности магнитного поля; колебания уровня грунтовых вод, содержания радона.

Срочность прогнозов: годы – недели – непосредственно перед землетрясением. Г. Хайчен (Кит) за 5,5 час предупредил землетрясение силой в М=7,3.

Сейсмическое районирование: выделение областей, в которых можно ожидать землетрясение определенной интенсивности. Районирование учитывает: геологические, тектонические, сейсмологические, физические факторы. Каждый бал сейсмичности сильно увеличивает цену ПГС!

Уровни районирования: Страна, регион, город. при этом учитываются состав грунтов, уровень грунтовых вод, рельеф кровли коренных скальных пород.

Неблагоприятные условия для строительства: обводненные грунты (гидравл удар), рыхлые суглинки, просадочнсть…

Проектирование: Конструкция зданий должна быть прочная и гибкая, рассеивающая колебания грунта. В Токио построены здания высотой 60 этажей. Здания раскачиваются как деревья и таким образом рассеивают энергию землетрясений.

ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА

Вечная мерзлота – это толща горных пород, залегающая вблизи поверхности земли, обладающая отрицательной температурой, которая сохраняется тысячелетиями.

Мерзлота занимает > 63% территории России и распространена севернее 48 с.ш.

Строение вечной мерзлоты.

Представлена в нескольких видах: сплошной массы - до глубины ~200м, t= -7…-12⁰С, в виде таликов до глубины 20-60м t= -0,2 …-2С, в виде островной - до глубины -10-30м, t=0…-0,3С

На севере структура мерзлой тощи включает деятельный слой (вверху), а глубже - сплошную ВМ. Деятельный слой тает весной. Его мощность зависит от глубины максимального протаивания и состава ГП: для глины- 0,7м, песка - 3-4м. Деятельный слой сливается зимой с вечной мерзлотой. В теплые зимы между ним и ВМ остается талый слой.

Вечномерзлые толщи могут быть сплошными и слоистыми, т.е. чередующимися с талыми породами. В наиболее суровом климате ВМ включает массивы чистого льда.

Строение ВМ у южного края самое сложное, прерывистое, в долинах рек ВМ отступает на большую глубину (р.Лена).

РЕЖИМ ВМ

Динамика ВМ проявляется в большем распространении на юг и отступлении. ВМ деградирует. Согласно подсчетам, к концу ХХI века ее граница отодвинется на север на 500-700 км . Тепловая осадка морских берегов на севере может достигнуть 10 м, а береговая линия переместится на юг. Пострадает трубопроводный транспорт, и существующие объекты ПГС. Нужна новая стратегия строительства.

РОЛЬ ЛЬДА в ВМ .

На плавление льда при 0^о требуется в 100 раз больше тепла, чем на нагревание горных пород.

Вследствие этого, лед порождает в ВМ зону НУЛЕВОЙ ЗАВЕСЫ.

Она имеет t = О^оС, поглощает много холода/тепла, поэтому служит буфером и препятствует изменению температуры в нижележащих слоях. В сухих породах ее нет. В породах со связанной водой она располагается в зоне с температурой < 0⁰C.

Вода в вечной мерзлоте (ВМ)

Вечная мерзлота водонепроницаема. В водоносных горизонтах является водоупорной кровлей и ложем. Воды могут быть сильно минерализованы.По характеру залегания подземные воды бывают:

Надмерзлотные -- временный источник водоснабжения. При оттаивании порождают деформации грунтов.

Межмерзлотные -- приводят к образованию наледей; в феврале-марте они сжимаются мерзлым верхним слоем и прорываются в подвалы, дорожные выемки.

Подмерзлотные -- могут быть источником постоянного водоснабжения.

В ВМ могут быть проталины и подземные воды мигрируют из под мерзлоты, в межмерзлотный или в надмерзлотный слои.